Остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей

Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при обработке заготовок объясняют следующими причинами.

1. В момент контакта инструмента с поверхностью заготовки (на­пример, при шлифовании) выделяется теплота, приводящая к высокому мгновенному локальному нагреву поверхности. Поверхностный слой стре­мится к расширению, которому препятствуют лежащие ниже более холод­ные слои материала. Однако в разогретом слое не возникает внутренних напряжений в связи с тем, что модуль упругости металла снижается до минимума, а пластичность возрастает. После охлаждения детали в пове­рхностном слое, из-за его стремления сжаться, возникают напряжения растяжения, а в нижележащих слоях - уравновешивающие их напряжения сжатия.

2. При контакте инструмента с заготовкой в процессе обработки в поверхностном слое металла протекает пластическая деформация, сопро­вождающаяся упрочнением и изменением некоторых его физических свойств Деформация приводит к уменьшению плотности металла и к повышению его удельного объёма (£³/кг). Увеличение удельного объёма распространя­ется только на глубину проникновения пластической деформации и не за­трагивает слоев металла, лежащих ниже.

Повышению объёма пластически деформированного металла поверхност­ного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в ни­жележащих слоях - растягивающие остаточные напряжения.

3. Режущий инструмент (например, резец), снимающий с обрабатывае­мой поверхности стружку, вытягивает кристаллические зёрна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластиче­скую деформацию растяжения. Трение задней поверхности инструмента об обрабатываемую поверхность также способствует растяжению кристалличе­ских зёрен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инс­трумента растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжа­тия. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновеши­вающие их остаточные напряжения растяжения.

4. При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, на­грев в зоне резания может вызвать структурные изменения. Например, при шлифовании закалённой на мартенсит стали в связи с неправильным режимом, засаливанием круга и недостаточным охлаждением происходят прижоги, приводящие к образованию на отдельных участках структур тростита или сорбита, имеющих меньший удельный объём, чем структура мартенсита. В отожжённых слоях развиваются остаточные напряжения рас­тяжения, а в смежных с ними - уравновешивающие их напряжения сжатия.

Любая из рассмотренных, или другая причина при обработке может преобладать над остальными и определять характер напряжённого состоя­ния поверхности. Если все причины одновременно влияют в равной мере, то обрабатываемая поверхность оказывается в сложном напряженном со­стоянии.

В общем случае следует считать, что изменение методов и режимов обработки, способствующих увеличению силового поля и пластических деформаций, продолжительности силового воздействия при обильном ох­лаждении, приводит к образование на поверхности остаточных напряже­ний сжатия. Изменения же режимов резания и условий обработки, вле­кущих за собой повышение мгновенных температур нагрева поверхност­ного слоя, обусловливают рост остаточных напряжений растяжения (иногда превращение сжимающих остаточных напряжений в растягивающие), Повышение мгновенных температур может быть связано с увеличением скорости резания, засаливания абразивного круга при шлифовании, дли­тельности контакта инструмента с участками обрабатываемой поверхно­сти и снижениями их теплопроводности, ухудшением условий охлаждения к др.