Причины возникновения внутренних напряжений при..


ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ ЗАКАЛКЕ
При закалке возникают внутренние напряжения, которые по величине могут быть настолько большими, что это приводит к трещинам и разрушению стали без всякого дополнительного воздействия. Коробление деталей — это также результат воздействия внутренних напряжений. Различают три рода внутренних напряжений.
Напряжения 1-го рода. Единственная причина возникновения таких напряжений — неравномерность охлаждения деталей при закалке. Как мы уже видели, поверхностные слои металла охлаждаются быстрее, внутренние — медленнее; тонкие части детали охлаждаются быстрее, массивные — медленнее. Почему же это приводит к внутренним напряжениям? Представим себе кольцо, в которое плотно вставлен стержень (рис. 22, а). Поместим такой стержень с кольцом в печь и разогреем до закалочной температуры. Теперь выгрузим их из печи и начнем холодным водяным душем поливать кольцо. При понижении температуры объем тела, как известно, уменьшается (тело сжимается). Следовательно, и кольцо при охлаждении должно уменьшиться по объему, а значит, и по диаметру. Но стержень препятствует этому, так как температура его почти не изменилась, а значит и диаметр остался прежним. В этих условиях кольцо начинает давить на стержень, сжимая его со всех сторон. Поэтому в стержне и возникают сжимающие напряжения. Кольцо же при этом может даже разорваться. Нечто подобное может произойти при насаживании горячей обечайки на бочку. Таким образом, в кольце возникают растягивающие напряжения.
Аналогичная картина получается при закалке сплошной детали цилиндрической формы (рис. 22, б). Наружная поверхность ее в виде кольцевого слоя охлаждается быстро и уменьшается в объеме. Внутренняя же зона охлаждается замедленно и потому препятствует сжатию наружного кольцевого слоя. В результате внутренняя зона металла окажется сжатой, а наружная — растянутой. В последующий период внутренняя зона, охлаждаясь, уменьшится в объеме и потянет к центру наружный кольцевой слой, стремясь уменьшить его диаметр. Но металл снаружи уже остыл и потому утратил пластичность. Теперь наружная зона играет роль жесткого кольца, которое уже не может уменьшиться по диаметру. Поэтому в заключительный период охлаждения в наружных слоях металла возникнут сжимающие напряжения. Внутренняя же зона металла, будучи связана с наружными слоями, не сможет уменьшиться в объеме, хотя и будет стремиться к этому. В результате в ней возникнут растягивающие внутренние напряжения. Растягивающие напряжения являются более опасными, чем сжимающие. При закалке массивных деталей, когда различие в температуре внутренних и наружных слоев достигает значительной величины, такие напряжения могут вызвать трещины или даже привести к полному разрушению металла.

аб
Рис. 22. Возникновение внутренних напряжений при закалке (а) и термических напряжений при закалке цилиндрической детали (б)
Таким образом, внутренние напряжения 1-го рода вызываются объемными изменениями металла при понижении или повышении температуры, и потому их называют термическими напряжениями.
Напряжения 2-го рода. Такие напряжения вызываются структурными изменениями при закалке. Как уже указывалось, различные структуры стали имеют различный удельный объем: мартенсит — максимальный, аустенит — минимальный, перлит — средний между ними.
Эти напряжения также связаны с изменениями объема металла, но такие изменения в данном случае вызваны структурными превращениями. Поэтому и напряжения называются структурными.
Таким образом, окончательная картина распределения внутренних напряжений весьма сложная и зависит от соотношения термических и структурных напряжений в данном участке детали.
Напряжения 3-го рода — это напряжения, возникающие в атомной кристаллической решетке. В ней по различным причинам могут возникать искажения с нарушением правильного порядка расположения атомов, например, дислокации. Атомы, расположенные в прилегающих к дислокации плоскостях, сдвигаются из своего нормального (равновесного) положения в данной решетке. Стремление этих атомов к упорядоченному расположению и вызывает появление внутренних межатомных напряжений. Мартенситная структура, возникающая в стали после закалки, характеризуется большим числом дислокаций. Кроме того, мартенсит имеет кристаллическую решетку, в которой между атомами железа расположены атомы углерода. Это приводит к распиранию и искажению решетки и, следовательно, также вызывает внутренние межатомные напряжения.
Однако внутренние напряжения не всегда являются опасными и нежелательными, в ряде случаев они полезны и способствуют повышению прочности деталей. Такое благоприятное действие оказывают, например, сжимающие напряжения на поверхности деталей. Представим себе динамометр, который растягивают два человека в разные стороны с помощью тросов (рис. 23). Предположим, что стрелка динамометра показывает при этом растягивающее усилие, равное 50 кгс. Если теперь еще два человека возьмутся за тросы и будут их тянуть к динамометру, прикладывая усилие 30 кгс, то стрелка на нем покажет 20 кгс. Аналогично происходит и в детали. Таким образом, внутренние напряжения в данном случае как бы разгружают стержень от внешнего напряжения.

Рис. 23. Схема, поясняющая роль внутренних напряжений
Почему же именно у поверхности внутренние сжимающие напряжения оказываются особенно полезными? Во-первых, максимальные напряжения при работе детали возникают почти всегда у поверхности. Во-вторых, наиболее опасными являются растягивающие напряжения, особенно при наличии каких-либо дефектов на поверхности. Это наглядно иллюстрирует следующий пример. Возьмем резиновый ластик для стирания и сделаем на нем с двух сторон небольшие поперечные надрезы. Теперь, сдавливая двумя пальцами с торцовых сторон этот ластик, изогнем его по дуге. Можно легко заметить, что при этом надрез, расположенный на внешней, выгнутой стороне, будет расширяться и углубляться. Это происходит под действием растягивающих напряжений на данной поверхности. Края надреза, расположенного на погнутой стороне, наоборот, будут сближаться. Так происходит потому, что на этой поверхности действуют менее опасные сжимающие напряжения. Теперь очевидно, почему во многих случаях для повышения эксплуатационных свойств деталей достаточно произвести поверхностное упрочнение, например, путем закалки ТВЧ или химико-термической обработкой. Как одно, так и другое не только упрочняет поверхность деталей, но создает внутренние сжимающие напряжения.
ПРИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЗАКАЛКЕ
В результате закалки может произойти изменение формы и размеров деталей. Кольцо шарикоподшипника, например, может принять форму овала, ось валика может изогнуться по дуге и т. п. Кроме того, возможно изменение объема детали, в результате чего изменятся точные размеры, приданные ей предшествовавшей механической обработкой.
Под короблением обычно понимают искажение формы изделий, а поводкой называют нарушение размеров, вызванное изменением объема. Коробление может возникнуть при нагреве изделий. Это происходит в том случае, если они при укладке в печи прогибаются под действием собственной массы или массы других деталей, а также при неравномерном нагреве в печи, когда одна сторона детали нагревается быстрее другой. Например, если со стороны загрузочного окна печи происходит подстуживание, то поверхность детали, обращенная к окну, будет иметь более низкую температуру, и в результате произойдет ее выгиб, коробление. Из этого можно заключить, что в условиях правильного нагрева коробление можно свести к минимуму.
При закалке, когда происходит резкое охлаждение и структурные превращения в стали, избежать коробления и поводки практически невозможно. Однако можно свести их к минимальным значениям. Главная причина коробления — неравномерность охлаждения деталей при закалке. Это вызывает неравномерность объемных изменений, что, в свою очередь, приводит к внутренним напряжениям, а они-то уже и вызывают коробление. Так происходит, например, при закалке стержня, показанного на рис. 24. Как бы быстро ни опускали его в закалочную жидкость, вначале погрузится нижняя сторона, а затем верхняя. В момент, когда нижняя часть стержня окажется в охладителе, а верхняя будет еще над его поверхностью, произойдет объемное сжатие нижней части, и стержень изогнется, как показано на рис. 24. В последующий момент, когда в охладитель погрузится и верхняя часть, она также будет стремиться уменьшиться в объеме — сжаться и выгнуть стержень в другую сторону. Однако выпрямления его уже не произойдет, так как металл в этот момент уже остыл и потому утратил прежнюю пластичность. Очевидно, коробление можно уменьшить, если погружать такой стержень в закалочную жидкость в вертикальном положении.

Рис. 24. Изгиб стержня при закалке
Изменение размеров деталей, вызванное структурными превращениями, по своей величине сравнительно небольшое. Оно зависит от содержания углерода в стали. В этих случаях иногда применяют бездеформационную закалку. Такое название, конечно, условное, поскольку полностью избежать деформации практически невозможно. Можно лишь свести ее к желаемому минимуму. Сущность бездеформационной закалки заключается в следующем. Деталь подвергается полной механической обработке на точные размеры до закалки, когда сталь имеет перлитную структуру. При нагреве под закалку перлит превратится в аустенит. Если бы после закалки удалось полностью сохранить аустенитную структуру, то объем детали стал бы меньше исходного, который был при перлитной структуре. Если же при закалке аустенит полностью превратится в мартенсит, то объем станет больше исходного. Очевидно, если закалку произвести так, чтобы получить количество мартенсита и остаточного аустенита в определенном соотношении, то объем детали, а значит и ее размеры, не будут изменяться. Правда, получить требуемое количество остаточного аустенита в углеродистой стали трудно. Регулирование количества остаточного аустенита достигается изменением температуры закалки и скорости охлаждения.
Термические напряжения стремятся так изменить форму изделия, чтобы она приближалась к форме шара. Например, в детали в виде куба в результате термических напряжений грани становятся выпуклыми (рис. 25, а), цилиндр сокращается по длине и увеличивается по диаметру (рис. 25, б).

Рис. 25. Изменение формы под действием термических напряжений
В результате общая картина деформаций настолько усложняется, что заранее предвидеть все возможные изменения размеров детали после закалки во многих случаях не представляется возможным, и вопрос решается опытным путем.

Приложенные файлы

  • docx 14749914
    Размер файла: 128 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий