Механические свойства

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, кото­рые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызывающих их появление. По протяженности силового поля различают следующие остаточные напряжения:

1. Напряжения первого рода (макронапряжения), охватывающие области, размеры которых соизмеримы с размерами детали; они име­ют ориентацию, связанную с формой детали, возникают от неодно­родности силового, температурного поля внутри детали. Основны­ми причинами возникновения макронапряжений являются неоднород­ность пластической деформации, локальный, неоднородный нагрев металла поверхностного слоя, а при наличии превращений — разность объемов возникающих структур.

2. Напряжения второго рода (микронапряжения), распространяю­щиеся на отдельные зерна или на группу зерен. Микронапряжения —• местные остаточные напряжения в микрозонах. Они являются след­ствием фазовых превращений, изменения температуры, анизотро­пии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зерен на блоки при пластическокй деформации.

3. Напряжения третьего рода (субмикроскопические), относящие­ся к искажениям атомной решетки. Причиной образования искаже­ний кристаллической решетки являются, главным образом, дисло­кации и внедрение атомов.

Остаточные напряжения влияют на эксплуатационные качества деталей машин, на усталостную прочность деталей, на их хрупкое разрушение. При обработке деталей машин наблюдается возникно­вение в них остаточных напряжений, в результате действия которых детали деформируются или разрушаются.

Деформацией называется изменение размеров и форм детали под действием приложенных сил.

Упругая деформация — деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства детали полностью устраняется после прекра­щения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает за­метных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное, пол­ностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла.

Пластическая деформация. При достижении касательными напря­жениями предела упругости деформация становится необратимой.

При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая де­формации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. Пластическая деформация в монокристаллах может осу­ществляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смеще­ние отдельных частей кристалла) одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений, когда эти на­пряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают опре­деленного критического значения. Пластическая деформация метал­лов с плотноупакованными решетками, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориен­тировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование, подобно скольжению, сопровож­дается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

Нагрев поверхностного слоя металла при обработке обусловлива­ет образование в нем температурных напряжений. Допустим, что в процессе обработки цилиндрической детали слой 1 (рис. 1.12) находит­ся в состоянии ползучести. В этом слое внутренние напряжения отсут­ствуют, а если до того существовали остаточные напряжения, то они снимаются. В слое 2, с температурой ниже Г, но выше номинальной Тц возникают напряжения сжатия, а в слое 3 — растяжения. Напря­жения эти временные. Как только наружный слой охладится до темпе­ратуры Гр, он станет упругим. За температуру Гр перехода металла

Рис. 1.12. Схема образования остаточных температурных напряжений в поверх­ностном слое: а — температура детали при обработке; б — распределение напряжений в теле детали при обработке; в — напряжения после остывания наружного слоя детали до температуры Гр; г — остаточные напряжения

из упругого состояния в пластическое можно принять 450 °С для уг­леродистых сталей и 550 °С для легированных. Встречая сопротивле­ние сокращению, слой 1 оказывается растянутым в окружном направ­лении. В слое 2 сжимающие напряжения возрастают. При дальней­шем охлаждении до полного выравнивания температуры по глубине металла напряжения в слое 1 возрастают, а в слоях 2 и 3 устанавлива­ется система уравновешивающих напряжений сжатия. По характеру остаточные температурные напряжения, равно как и обусловленные пластической деформацией, являются напряжениями первого рода. Однако, из-за неодинакового тепловыделения на смежных участках обрабатываемой поверхности и различной степени пластической де­формации возникают также остаточные напряжения второго рода.

В процессе трения даже при незначительном нагружении в микро­объемах поверхностного слоя протекают пластические деформации, в участках контакта возникает высокая температура, что приводит к частичному или полному снятию исходных остаточных напряжений на поверхности трения и их перераспределению в толще поверхност­ного слоя. Исходные остаточные напряжения складываются с на­пряжениями, возникающими в процессе трения, и поэтому могут соответствующим образом влиять на пластическое течение метал­ла, а следовательно, на его износ.

Усталость — явление разрушения металла под действием пере­менных напряжений, не превышающих предела прочности. Предел прочности ов — отношение наибольшей нагрузки Рв, предшество­вавшей разрушению образца, к площади F поперечного сечения об­разца до испытания. Предел прочности характеризует механичес­кие свойства материалов при растяжении, сжатии, изгибе, срезе.

Если переменные напряжения превышают некоторый уровень, то в материале детали начинает протекать процесс постепенного на­копления повреждений, образования и развития трещины, приво­дящей в конце концов к разрушению детали. Этот процесс называ­ют усталостью металла, а разрушение — усталостным.

На рис. 1.13 показаны характерные особенности усталостного излома. Локальную зону 5, близкую к точке, в которой возникает начальная микроскопическая трещина усталости и откуда начи­нается ее развитие, называют фокусом излома. Малую зону, при­легающую к фокусу излома и соответствующую начальной макроскопической трещине усталости, называют очагом разруше­ния. При больших уровнях переменных напряжений могут возник­
нуть трещины одновременно в не­скольких местах, т. е. может быть несколько фокусов и очагов разру­шения. Чаще всего фокус и очаг разрушения располагаются у по­верхности детали, где бывают де­фекты и возникают наибольшие напряжения.

Далее на изломе отмечают учас­ток избирательного развития уста­лостной трещины, на котором вид­ны усталостные линии 3 (рис. 1.13), являющиеся следами фронта про­движения трещины. Сам этот учас­ток имеет вид гладкой блестящей по­верхности. Отмечаются также сту — Рис. 1.13. Схематическое изображе — пеньки И рубцы 4, образующиеся ние участков усталостного излома

при СЛИЯНИИ параллельных трещин, , цилиндрической детали:

1 — зона долома; 2 — зона ускорен — развивающихся из нескольких оча — т, лт. л

г ного развития излома; 3 — устал ост-

гов. После того как усталостная тре — нь1е линии (участок избирательного

щина распространяется на большую развития); 4 — вторичные ступень — часть поперечного сечения, проис — ки и рубцы; 5 — фокус излома и ходят ускоренное развитие трещины очаг разрушения

2 (за несколько циклов) и оконча­тельный долом. Зона 1 носит характер хрупкого разрушения и име­ет шероховатую поверхность.

Для оценки характеристик сопротивления материала и деталей усталостному разрушению проводят усталостные испытания лабора­торных образцов, моделей и деталей натурных размеров на специ­альных усталостных машинах, которые можно классифицировать:

— по виду нагружения испытуемого объекта (изгиб в одной плос­кости, изгиб при вращении, кручение, растяжение-сжатие, сложное нагружение);

— по способу возбуждения переменных нагрузок (механические, элек­тромеханические, гидроимпульсные, электрогидравлические и др.)

— по значению максимальных нагрузок.

Типы испытуемых образцов, методы испытаний и обработки ре­зультатов регламентированы ГОСТ 25.502-79.

Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образ­це, гладком или с надрезом, с приложением изгибающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения (растяжение—сжатие) по симметричному циклу om*n = omar Для определения предела вынос­ливости испытывают не менее десяти образцов. Первый образец ис­пытывают при напряжении Gj (для стали Oj = 0,6ов), при этом оп­ределяют число циклов, вызывающих разрушение образца. Для вто­рого и последующих образцов а2> а4 и т. д. снижают на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца.

Результаты испытаний наносят на диаграмму в координатах: напряжение о — число циклов N в пропорциональном или логарифмическом масштабах (рис. 1.14) . Горизонтальный учас­ток, т. е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при достаточно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости. Пределы выносливости выражают в номи­нальных напряжениях и обозначают (R — коэффициент асим­

метрии цикла). Наклонная часть кривой характеризует ограни­ченную выносливость. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чувствительность к концен­траторам напряжений при симметричном цикле нагружения опре­деляется эффективным коэффи­циентом напряжений

где И 0_1н — пределы выносли­вости образцов гладкого и с надрезом (концентратором напряжений).

С увеличением размера дета­ли предел выносливости умень­шается. Чем тщательнее обрабо­тана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными де­талями (сталь сов= 1000 МПа)
предел выносливости шлифованных деталей снижается на 10.,.15 %, а фрезерованных — на 45…50 %. Сильно понижает предел выносли­вости коррозия.

Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от качества их поверхности.

Твердость металлов — свойство материала оказывать сопротив­ление деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуще­ствления, а также возможности без разрушения детали судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества ме­талла в металлических деталях и изделиях. Существуют следующие методы испытания твердости: вдавливание, царапание, качание ма­ятника, магнитный, упругого отскока, ультразвуковой.

Наиболее распространен метод вдавливания индентора. В зави­симости от метода определения поверхностной твердости в лабора­торной практике используются: пресс Бринелля, приборы Роквелла и Виккерса.

Пластичность металла (8, %) — свойство твердых тел необрати­мо изменять, не разрушаясь, форму и размеры под действием вне­шних сил или внутренних напряжений. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Так как упругая деформация суще­ственно меньше пластической, можно считать, что именно пласти­ческая деформация определяет полную деформацию тела. Поэтому не существует таких характеристик пластичности тел, которые мож­но было бы считать константами материала. Ведутся исследования пластичности твердых тел, так как она представляет большой прак­тический интерес.

Прочность металла детали — свойство материала или детали, не разрушаясь, сопротивляться действию внешних сил. Под прочностью материала понимается также его способность сопротивляться разви­тию пластических деформаций под действием внешних сил. Прочность материала оценивается при растяжении, сжатии, изгибе, кручении, срезе.

Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захвате разрывной машины, деформируется при ста­тической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании автома­тически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависи­мость между нагрузкой и деформацией.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) — напря­жение, соответствующее максимальной нагрузке (Рв), которую вы­держивает образец до разрушения:

где Fq — площадь сечения образца.

По своей физической сущности ав характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации. Техническая (реальная) прочность металлов в 10..Л000 раз меньше, чем их теоретическая прочность, определяемая силами межатомного сцепления.

В реальных металлах всегда имеются дислокации и другие дефек­ты кристаллической решетки, включения, микротрещины и т. д., по­нижающие прочность и инициирующие разрушение (рис. 1.15). Ми­нимальную прочность имеют, отожженные металлы при плот­ности дислокаций около 107…108 см"2. С уменьшением количества дислокаций со­противление деформированию, т. е. проч­ность металла, возрастает и может достигать теоретического значения. Убедительные доказательства справедливости этого поло­жения были получены при исследовании металлических усов — нитевидных кри­сталлов толщиной 0,5…2 мкм и длиной до 10 мм с практически бездефектной (без — дислокационной) кристаллической струк­турой. Усы железа толщиной 1 мкм име­ют предел прочности ов — 13240 МПа, то есть почти теоретическую прочность. Вви­ду малых размеров усы применяют огра­ниченно. Увеличение размеров усов при­водит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности.

Правее точки а (рис. 1.15) с увеличе­нием количества дислокаций (дефектов) прочность металлов возрастает. Это ис­
пользуют при таких способах упрочнения, как легирование, терми­ческая обработка, холодная пластическая деформация и т. д. Основ­ными причинами упрочнения являются увеличение количества (плот­ности) дислокаций, искажения кристаллической решетки, возник­новение напряжений, измельчение зерен металла и др., т. е. то, что затрудняет свободное перемещение дислокаций. Предельная плот­ность дислокаций для упрочнения составляет примерно 1012 см"2 (точка б). При большей плотности в металле образуются субмик­роскопические трещины, вызывающие разрушение (точка в).

Результаты экспериментальных исследований показывают, что твердость, пластичность и прочность поверхностного слоя деталей зависят от способов упрочняющей обработки и в значительной сте­пени влияют на износостойкость поверхностей трения.