Цели и задачи практической работы.

Ознакомившись с терминологией, изучить теоретические и прикладные вопросы, связанные с управлением трением и свойствами материалов посредством целенаправлен­ного воздействия конструктивными и технологическими методами на релаксацию оста­точных напряжений, а также на обратное упругое последействие.

В этой работе студент должен изучить теоретическую и прикладную часть.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур: от -269°С у сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов.

Необходимо отметить, что в теплонагруженных узлах трения температура в кон­тактных зонах может достигать 1000°С и выше, что приводит к расплавлению металличе­ских и разложению неметаллических материалов.

Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом мате­риалов, уменьшение массы машин и приборов во многом зависит от развития материало­ведения, а также трибологии и триботехники.

 

 

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Остаточные напряжения, внутренние напряжения - напряжения, сохраняю­щиеся в твердом теле после снятия внешних воздействий.

Возникают в том случае, когда последние приводят к появлению в теле пластиче­ских деформаций.Остаточные напряжения могут быть объемными и локальными. Часто возникают в результате механической обработки материала или воздействием на него трением. Остаточные напряжения внутри тела, уравновешивающиеся без приложения к не­му внешних сил.

В зависимости от причин возникновения остаточные напряжения называются теп­ловыми, литейными, усадочными, ковочными, сварочными и т.д.

Релаксация - падение напряжений в образцах и деталях машин при постоянной начальной деформации. Релаксация является следствием постепенного перехода упругой деформации в пластическую и резко усиливается при повышении температуры. Испыта­ния на релаксацию являются длительными и производятся на оборудовании, позволяю­щем поддерживать постоянную деформацию образца. Результаты испытаний показывают, что при высоких температурах релаксация продолжается до напряжений близких к нулю, а при невысокой температуре и малом начальном напряжении может существовать предел релаксации, т.е. напряжение, не уменьшающееся с течением времени.

Релаксация остаточных напряжений - падение напряжений в твердом теле во времени после снятия внешних воздействий.

Перераспределение остаточных напряжений во время работы ведет к измене­ нию первоначальной точности коленчатых валов двигателей, зубчатых колес, дис­ков турбин и других ответственных деталей.

Перераспределение остаточных напряжений во время работы ведет к усилен­ному износу трущихся поверхностей, разбалансировке роторов.

Упругое последействие - изменение деформированного состояния тела при неиз­менном напряженном состоянии за счет упругой и пластической деформации; пластиче­ское последействие иногда называют ползучестью.

Упругое последействие материалов объясняется неоднородностью упруго-напряженного состояния реальных тел и стремлением напряженного состояния к вырав­ниванию.

Пластическое последействие объясняется существеннымизменением молекуляр­ного или кристаллического строения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ [3]

Основными методами определения остаточных напряжений являются механиче­ ские и рентгеновские. Весьма перспективны для промышленного применения электро­физические методы, при которых остаточные напряжения находятся по изменению элек­тромагнитных свойств поверхностного слоя. Для оптически активных прозрачных мате­риалов или покрытий можно применять поляризационно-оптические методы фотоуп­ ругости и фотопластичности.

Механические методы. Механические методы определения остаточных напряже­ний получили наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследст­вие того, что в них используются такие же представления о напряжениях и деформациях механики твердого тела, как и при расчетах деталей на прочность, жесткость и устойчи­вость. Это облегчает практическое применение результатов исследований для деталей из различных материалов (металлов, керамики, пластмасс и т. д.).

Механические методы основаны на предположении, что разрезка или удаление части детали с остаточными напряжениями эквивалентны приложению к оставшейся де­тали, на вновь появившихся поверхностях, напряжений, обратных остаточным. Эти об­ратные напряжения вызывают деформацию детали или усилия в устройствах, препятст­вующих деформации. Измеряя возникшие деформации (деформационными методами) или силы реакций (силовыми методами), можно вычислить остаточные напряжения.

Различия механических методов определения остаточных напряжений заключают­ся: а) в форме образцов (или деталей, если образцы не вырезаются); б) в предположениях относительно закона распределения остаточных напряжений, вытекающих из теоретиче­ского анализа деформаций при изготовлении (например, условие постоянства напряжений в точках, лежащих на одинаковом расстоянии от поверхности; предположение об одноос­ном напряженном состоянии в узких призматических образцах и т. д.); в) в способе изме­рений деформаций образца или реакций опор, способных устранить эти деформации.

В связи с расширением форм и размеров деталей, в которых исследуются оста­точные напряжения, непрерывно растет число методик, при которых применяются разные метрологические схемы измерения деформаций образцов и формулы расчета остаточных напряжений.

Эти новые способы базируются на тех же положениях механики, что и ранее под­робно обоснованные И. А. Биргером, поэтому для краткости и удобства практического использования механические методы определения остаточных напряжений излагаются в виде рабочих методов. Основное внимание уделено исследованию технологических оста­точных напряжений в поверхностном слое, физико-механическое состояние которого сильно влияет на эксплуатационные характеристики деталей машин.

 

 

Рентгеновские методы. Наличие остаточных напряжений в поликристаллических телах, какими являются металлы, приводит к различным интерференционным эффектам рентгеновских лучей, отраженных от поверхности образцов, в зависимости от размеров зоны, в которой эти напряжения уравновешиваются. В связи с этим Н. Н. Давиденковым предложена классификация остаточных напряжений.

Напряжения 1 рода имеют постоянную ориентацию на всём исследуемом участке материала поверхности детали, вследствие этого они определенным образом меняют на этом участке межатомные расстояния, что вызывает угловое отклонение лучей, отраженных от поверхности (от определенных кристаллографических плоскостей в поверхностном слое). В результате появляется смещение линий на рентгенограммах или дифрактограммах, по которому и вычисляют остаточные напряжения 1-го рода. При вы­числении используются те же представления о напряжениях и деформациях твердого те­ла, что и при механических методах. Однако между остаточными напряжениями 1-го ро­да, найденными рентгеновскими и механическими методами, есть различия, Во-первых, при данном угле \|/ между нормалью к поверхности и направлением рентгеновских лучей отражение происходит только от кристаллографических плоскостей, имеющих угол Брэг­гов с направлением падающих лучей

пЛ,

v - arcsin — -, 2 d

где d — расстояние между отражающими кристаллографическими поверхностями, ai — длина волны рентгеновских лучей, п — порядковый номер интерференционной линии на рентгенограмме или дифрактограмме.

Таким образом, фактически в отражении участвуют только кристаллы поверхност­ного слоя, определенным образом ориентированные.

Второй особенностью рентгеновских методов является то, что лучи проникают в металл на глубину от 3 до 50 мкм, так что на рентгенограммах или дифрактограммах от­ражается осредненное по какому-то закону распределение остаточных напряжений. В ре­зультате при больших градиентах остаточных напряжений обнаруживаются значительные напряжения 1-го рода, нормальные к свободной поверхности образца, которые для беско­нечно тонкого слоя равны нулю.

Обращает на себя внимание изменение толщины слоя, участвующего в образова­нии интерференционной картины, от длины волны излучения (определяемой материалом катода рентгеновской трубки) и углов падения и отражения лучей. Вследствие указанных особенностей между напряжениями 1-го рода, найденными при различных параметрах рентгеноструктурного анализа (длина волны, угол облучения, параметры и тип решетки, порядковый номер исследуемой интерференционной линии и т. д.), а также между напря­жениями, найденными механическими методами, могут иметь место количественные рас­хождения. Это подчеркивает исключительную важность учета методики определения ос­таточных напряжений при сопоставлении результатов исследований.

Напряжения 2-го рода уравновешиваются в объемах отдельных кристаллов или блоков. Вследствие этого они не могут быть найдены механическими методами, даже ес­ли они ориентированы относительно направления пластических деформаций, вызвавших их при изготовлении детали. Эти напряжения определяют по уширению интер­ференционных линий на рентгенограммах и дифрактограммах, отделяя их от эффекта, ко­торый дает измельчение блоков.

Напряжения 3-го рода уравновешиваются в объемах, охватывающих небольшие группы атомов. Они могут быть обусловлены дислокациями в связи со смещениями атомов из правильных положений узлов кристаллической решетки; наличием вне­дренных атомов, в зависимости от размеров которых могут возникнуть сжимающие или растягивающие напряжения в малых областях вокруг этих атомов, вакансиями, т. е. отсут­ствием атомов в узлах решетки, являющихся центрами сжатия, и т. д. Эти смещения ато­мов из правильных положений приводят к ослаблению интенсивности интерференцион­ных линий и к возрастанию диффузионного фона, так же, как и тепловые колебания ато­мов («динамические» искажения). Различная зависимость статических и динамических смещений от температуры позволяет разделить их способом рентгеносъемок при двух температурах.

Указанная классификация остаточных напряжений окончательно еще не установ­лена. Определение микронапряжений (напряжений 2-го и 3-го рода) является важ­ ным преимуществом рентгеновских методов. Существенным достоинством рентгенов­ских методов является возможность находить остаточные напряжения в тонком поверхно­стном слое без разрушения детали. Однако для построения эпюры остаточных напряже­ний необходимо последовательно стравливать металл с поверхности на участке, который облучается. При анализе результатов, полученных рентгеновским методом, необходимо всегда учитывать отмеченную выше зависимость их от применяемой методики.

Методы оценки остаточных напряжений по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя. Точность этих методов пока низкая, поскольку электро­магнитные свойства зависят не только от остаточных напряжений, а сами эпюры остаточ­ных напряжений могут изменяться по различным законам в пределах исследуемого слоя.

Простота этих методов, их высокая производительность, возможность определения остаточных напряжений в тонком поверхностном слое без разрушения детали делают их удобными для массового применения в заводских условиях. Однако, как и в предыдущих методах, для построения полной эпюры напряжений требуется последовательное стравли­вание слоев металла. Метод не позволяет раздельно определять составляющие остаточных напряжений, так что при проведении исследовательских работ его необходимо сочетать с механическими или рентгеновскими методами.

Поляризационно-оптические методы. Промышленностью выпускается поляри-зационно-оптическая аппаратура, позволяющая исследовать напряжения в деталях или их покрытиях из прозрачных или полупрозрачных оптически активных материалов (эпок­сидных смол, поликарбоната, бакелита, стекла, плексигласа, целлулоида, резины толщи­ной до 10 мм и т. д.). В этих материалах скорость поляризованного света зависит от ори­ентации и величины главных напряжений, что позволяет по интерференционной картине найти напряжения.

В деталях из непрозрачных материалов изучение процесса формирования остаточных на­пряжений можно заменить исследованием модели из оптически активного материала, ес­ли обеспечить геометрическое, тепловое и механическое подобие.

С помощью измерения монтажных остаточных напряжений в прозрачных моделях, склеенных из элементов, можно моделировать структурные напряжения в деталях слож­ной формы.

Наиболее просто с помощью поляризационно-оптических методов исследовать плоские тела, когда напряжения не меняются по толщине. Однако можно исследовать и пространственное распределение напряжений, применяя метод «замораживания напряже­ний» в моделях и разрезая их на тонкие слои в трех различных направлениях. Недостат­ком поляризационно-оптических методов является сложность, дороговизна аппаратуры и необходимость выделения для нее помещения.

ПРИКЛАДНАЯ ЧАСТЬ