X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ УПРОЧНЕНИИ СТАТИКО – ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Нужин А.В., Кокорева О.Г.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Положительное влияние поверхностно-пластической деформации (ППД) на качество изделий в основном связывается с упрочнением поверхностного слоя и поведением остаточных напряжений. При этом следует иметь в виду, что процессы ППД по всем вышеупомянутым упомянутым параметрам требуют оптимизации, иначе то или иное воздействие способно привести к отрицательным результатам. Статико-импульсная обработка (СИО) проявляет свое влияние на эксплуатационные свойства изделий через их напряженное состояние [1]. Целесообразность упрочняющих процессов состоит прежде всего в том, чтобы подавить вредное влияние растягивающих напряжений в поверхностном слое. В основе теории остаточных напряжений, наводимых пластической деформацией, лежит так называемая теория о разгрузке [2]. Суть ее состоит в том, что остаточные напряжения равны разности между напряжениями в упругопластическом теле (до снятия внешней нагрузки) и теми напряжениями, которые создавались бы в нем той же нагрузкой в предположении об идеальной упругости материала.

Процесс обработки деталей поверхностно-пластическим деформированием сопровождается различными явлениями: упругими и пластическими деформациями, трением, изменением пластических и прочностных свойств материала. Остаточные напряжения являются результатом воздействия двух основных факторов: собственно деформации и протекающих при этом тепловых процессов. От методов и режимов упрочнения, степени деформации структуры и свойств материала зависят величина, характер и глубина распространения остаточных напряжений.

При деформации вследствие значительного роста плотности дислокаций происходит некоторое увеличение удельного объема деформируемого слоя, чему препятствуют слои, лежащие ниже. В результате такого взаимодействия в наружных слоях возникают напряжения сжатия, а во внутренних уравновешивающие их растягивающие напряжения. При динамическом контакте область максимальных касательных напряжений, в которой начинает зарождаться пластическая деформация, располагается на некоторой глубине от поверхности, поэтому можно ожидать, что в верхней области, непосредственно примыкающей к поверхности пластическая деформация начнется позже и будет протекать менее интенсивно. Тогда максимум напряжений может оказаться смещенным в глубину слоя. Это остается справедливым, если рассматривать деформацию по линии действия сжимающей силы. По мере удаления от этой линии картина меняется. Поэтому в зависимости от конкретных условий обработки (нормальной силы, размеров инструмента и детали, а также в зависимости от свойств материала) напряжения могут формироваться с максимумом, как на поверхности, так и в глубине слоя. Поскольку увеличение объема происходит в пластически деформированной зоне, деформационные напряжения должны соответствовать толщине этой зоны. Следовательно, все параметры обработки, определяющие упрочнение слоя, оказывают влияние и на формирование остаточных напряжений. Пластическая деформация происходит по следующей схеме: снижение толщины в радиальном направлении, незначительное увеличение ширины в окружном и увеличении длины в осевом направлениях. Удлинение поверхностного слоя в осевом направлении вызывает упругое удлинение всего сечения детали. На ее торце возникает наплыв металла, в результате чего возрастает остаточные напряжения сжатия. Упругие деформации, действующие в окружном направлении релаксируются на небольшую величину, снижаются тангенциальные напряжения. При этом увеличение кратности приложения усилия при упрочнении способствует увеличению глубины сжатого слоя. Под воздействием давления и упругопластического восстановления составляющие структуры стремятся к восстановлению своей формы до деформации. При этом происходит частичное снятие и перераспределение остаточных напряжений. Это является одной из главных причин возникновения спада остаточных напряжений. Глубина распространения максимальных остаточных напряжений для высокомарганцовистой стали (ВМС) находится в пределах 0.05-0.12 мм [3]. В результате силового воздействия деформирующей среды на поверхности создаются лунки, обуславливающие определенное напряженно-деформированное состояние по глубине. При полном укрытии поверхности отпечатками можно предположить, что сжатие всех слоев по глубине в среднем будет соответствовать деформациям осевого сжатия под одним отпечатком, качественная эпюра которых представлена на рисунке 1.

Задача определения напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев сводится к исследованию основных параметров очага деформации под единичным отпечатком.

Исследование процесса СИО показывают, что размеры сечения детали в направлении действующих сил остаются практически неизмененными, но с характерными признаками деформации поверхностных слоев: искажением их решетки и искривлением плоскостей скольжения, повышением твердости и увеличением плотности дислокаций. Это свидетельствует о том, что при статико-импульсной обработке осуществляется сложное нагружение. Последующее динамическое воздействие вблизи каждого отпечатка ведут к перераспределению деформаций под ними так, что при отсутствии объемных изменений размеры детали при полном укрытии поверхности отпечатками оказываются неизмененными. Задача определения напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев сводится к исследованию основных параметров очага деформации под единичным отпечатком.

Рис. 1. Эпюра остаточных напряжений деформаций осевого сжатия.

Из параметров деформированного состояния следует рассмотреть степень поверхностной деформации, толщину пластически деформированного слоя и интенсивность изменения деформаций в наиболее характерной зоне вдавливания индентора.

После снятия нагрузки происходит упругое восстановление лунки, которое сопровождается изменением ее диаметра и кривизны (рис. 1). Степень деформации в восстановленной лунке будет определятся:

, (1)

где - диаметр кривизны лунки;

- начальный диаметр;

d - диаметр остаточного отпечатка;

h - глубина восстановления лунки.

, (2)

Критерий d/D принимаем в качестве показателя поверхностной деформации. Чаще , поэтому:

, (3)

Параметр h/d-показатель степени остаточной деформации, d/D-основной показатель деформационного состояния поверхности при исследовании силовых факторов поверхности.

Толщина пластически деформированного слоя , соответствует размерам очага деформации осевой зоны единичного вдавливания:

, (4)

где Р - сила вдавливания;

- предел текучести материала.

В динамических процессах:

, (5)

где .

Однако следует учитывать, что динамическое упрочнение поверхности статико-импульсной обработкой может происходит в результате многократного воздействия индентора на поверхность детали. В этом случае поверхностный слой будет подвергаться многократному деформированию, приводящему всякий раз к дополнительному упрочнению и повышению температуры. В результате этого величина и градиент деформационных и термических напряжении, возникающих в момент первичной деформации, претерпевают изменения. Соответственно меняются и суммарные напряжения. Поскольку при такой обработке повторные деформации происходят главным образом за счет пластического течения металла в осевом направлении, то осевые остаточные напряжения, вызванные пластической деформацией, формируются с максимумом на поверхности. Его смещение в глубину слоя со снижением осевых напряжений у поверхности может происходить как из-за высокого локального нагрева, так и вследствие перенаклепа. Однако на осевые напряжения тепловой эффект влияет в меньшей степени, чем на тангенциальные, этим и объясняются случаи формирования суммарных осевых напряжений с максимумом в глубине слоя.

Установлено, что задача упрочнения поверхностей деталей статико-имлульсной обработкой состоит в том, чтобы подавить вредное влияние растягивающих напряжений в поверхностном слое. При этом определение напряженно деформированного состояния поверхностных слоев заключается в исследовании основных параметров очага деформации под единичным отпечатком. Увеличение кратности приложения усилия при СИО способствует увеличению глубины сжатого слоя, увеличивая тем самым глубину упрочнения.

Список литература

1. Мастренко А.Л.; Дуб С.Н. "Прогнозирование износостойкости хрупких материалов по твердости и трещиностойкости. // Заводская лаборатория, №2, 1991. - с. 52-54.

2. Некоторые вопросы усталостной прочности стали. Под ред. чл. АН УССР Н.Н. Давиденкова. - М.: Машгиз, 1953. - 214 с.

3. Карашевич Ю.И.; Новожилов В.В. Теория пластичности, учитывающая остаточные микронапряжения. // АН СССРМТТ, №5, 1981. - с. 98-110.