|
В материале неизбежно существуют внутренние напряжения, возникающие при изготовлении деталей, а также в процессе эксплуатации. Реальная прочность детали зависит от взаимодействия внутренних напряжений и напряжений, вызываемых действием внешних нагрузок.
При назначении допустимых напряжений ие учитывают предысторию детали (влияние технологии ее изготовления) и последующую историю (постепенное изменение механических свойств материала в процессе работы машины). Эти изменения могут действовать разупрочняюще и упрочняюще. Раз-упрочияюшими факторами являются коррозия, износ и повреждение поверхности деталей, накопление микроповрежденнй в результате многократно повторных нагружений, местный отпуск в результате нагрева под действием циклических нагрузок.
К числу упрочняющих факторов относятся процессы «тренировки» материала действием кратковременных напряжений, превосходящих предел текучести; деформационное упрочнение, вызываемое структурными изменениями в напряженных микрообъемах материала; самопроизвольные протекающие процессы старения, сопровождающиеся кристаллической перестройкой материала и рассеиванием внутренних напряжений. Положительно влияет приспособляемость конструкции — общие или местные пластические деформации, возникающие под действием перегрузок и вызывающие перераспределение нагрузок. Определенный упрочняющий эффект дает нзнос первых стадий (сглаживание микронеровностей), способствующий увеличению фактической площади контактирующих поверхностей, снижению пиков давлений и выравниванию нагрузки на поверхности
Дефекты, возникающие при изготовлении детали и эксплуатации, в значительной мере являются случайными. Это обстоятельство объясняет хорошо известный факт рассеивания прочностных характеристик деталей. Некоторые детали из одной и той же партии имеют высокую долговечность, а другие — очень низкую в результате оставшихся незамеченными первоначальных или возникших при эксплуа-тапии новых дефектов.
Внутренние напряжения принято делить на три категории:
напряжения первого рода вызываются крупными дефектами материала; возникают и уравновешиваются в макрообъемах (иногда их условно называют макронапряжениями)';
напряжения второго рода вызываются неоднородностью кристаллической структуры; возникают и уравновешиваются в пределах кристаллитов и групп кристаллитов (микронапряжения);
напряжения третьего рода вызываются дефектами атомно-кристаллических решеток; возникают и уравновешиваются в пределах элементарных атомно-кристаллнче-ских ячеек и их групп (субмикронапря-ж е н и я).
Напряжения первого рода возникают чаше всего как результат гехноло! ических процессов, которым подвергают деталь при операциях формоизменения. Так как технологическая обработка представляет собой многостадийный процесс, то напряжения, существующие в готовой детали, являются результатом наложения и взаимодействия напряжений, возникающих на каждой стадии процесса. Неоднородности слитка переходят в поковку (или прокат); в результате обработки давлением появляются новые неоднородности. Механическая обработка, удаляя неоднородности, содержащиеся в снимаемых слоях металла, вызывает перераспределение напряжений, образовавшихся на предшествующих стадиях, и вносит в поверхностные слои дополнительные напряжения. Термообработка, частично устраняя напряжения, возникшие на предшествующих стадиях, вместе с тем вызывает появление новых напряжений.
В литых деталях внутренние напряжения чаще всего возникают вследствие неравномерной кристаллизации отливки и усадки материала при остывании. Напряжения концентрируются вокруг усадочных раковин, пор и т. д. и нередко достигают больших значений, вызывая разрывы и местные трещины в отливках. Другими дефектами, часто встречающимися в отливках, являются пригар, включения шлаков, смеси оксидов, сульфидов и силицидов, зональная ликвация, местная дендритность.
Основной источник внутренних напряжений при горячей обработке давлением — это неодинаковость условий течения металла в сечениях, различно ориентированных относительно действия деформирующего инструмента. Особенно часто неоднородности возникают на участках перехода, в зонах сопряжения сечений различной толщины, в наружных и внутренних углах.
В легированных сталях опасным дефектом являются флокены (незаварившиеся водородные пузырьки).
Высокие остаточные напряжения возникают при термообработке, особенно при закалке с резким охлаждением. В результате неодинаковых условий теплоотвода от поверхностных и внутренних слоев металла, а также на участках переходов образуются зоны повышенных напряжений, нередко приводящие к появлению закалочных трещин. У материалов, которым свойственна низкая прокаливаемость, это явление усугубляется взаимодействием прокаленных и непрокаленных зон. Зоны мартенсита, который обладает меньшей плотностью, подвергаются сжатию действием смежных более плотных слоев трооститной, сорбитной или перлитной структуры, в которых возникают реактивные" напряжения растяжения.
Значительные напряжения образуются в поверхностных слоях в процессе механической обработки. Пластический сдвиг и разрушение металла при снятии стружки сопровождаются возникновением в близлежащих слоях остаточных напряжений растяжения. Чем грубее обработка, т. е. чем больше толщина снимаемого слоя и силы резания, тем выше остаточные напряжения (при грубом точении стали возникают остаточные растягивающие напряжения 800—1000 МПа). К механическим напряжениям присоединяются термические напряжения, являющиеся результатом тепловыделения в зоне резания, а также напряжения, возникающие в результате структурных и фазовых превращений в очагах повышенного тепловыделения.
При шлифовании возникают остаточные растягивающие напряжения 200 — 400 МПа. Наиболее частые дефекты шлифованных поверхностей — микротрещины, прижоги, вызывающие у закаленных сталей местный отпуск и появление мягких пятен троостита или сорбита. У нормализованных или улучшенных сталей в результате повышения температуры и охлаждающего действия эмульсии может, напротив, произойти местная закалка с появлением мартенситных участков, на границах которых возникают резкие скачки напряжений.
| 
