10.4. Методика исследования наклепа

Наклеп – это упрочнение материала в результате деформации. Приведенная диаграмма растяжения (рис.10.9) иллюстрирует это упрочнение. Пластические деформации, возникающие в результате воздействия инструмента вызывают упрочнение обработанной поверхности – наклеп.

Твердость металла при пластическом деформировании увеличивается. Поэтому измерение величины наклепа после обработки резанием (рис.10.10) устанавливают по твердости поверхности. Наклеп характеризуется глубиной залегания, степенью и градиентом.

Глубину проникновения наклепа можно определить путем измерения микротвердости на косых срезах образцов (рис.10.11). Косые срезы выполняют в специальном приспособлении, обеспечивающем получение в пределах (1…3)⁰на плоско-шлифовальном станке при обильном охлаждении и минимальных подачах, исключающих внесение дополнительного наклепа на косой срез. Затем изготавливаются шлифы срезов. При этом для обеспечения четкой границы между исследуемой поверхностью и косым срезом (из точки А) образец заливают сплавом Вуда или эпоксидной смолой в приспособлении для полирования. Измерения микротвердости следует проводить по трем линиям. Микротвердость на некотором расстоянии х₀определяется как среднее арифметическое из трех замеров. Глубина, на которой расположены точки измерения микротвердости, определяются по соотношению

h=x sin

Для определения толщины наклепного слоя h_н необходимо найти то значение х₀, которое соответствует ненаклепанному материалу с постоянной микротвердостью Н. Тогда h_н=x_o sin.

Степень наклепа U_н определяется по наибольшей микротвердости исследуемой поверхности.

Таким образом, степень наклепа

Градиент наклепа определяется соотношением

Микротвердость измеряется вдавливанием алмазной четырехгранной пирамиды с квадратным основанием. Вдавливание осуществляется при нагружении пирамиды гирями массой 5;10;20;50;100;200;500 граммов в течение определенного времени (обычно не менее 3 с). После снятия нагрузки измеряют диагональ отпечатка, по величине которого определяют микротвердость, используя соответствующие таблицы.

Применяют приборы – микротвердомеры: ПМТ-3; ПМТ-5; ПМТ-6. В приборах ПМТ-3, ПМТ-5 и ПМТ-6 отпечатки измеряют с помощью окулярного микрометра и с увеличением до 478 раз. Прибор ПМТ-5 производит автоматическое нагружение, запрограммированную выдержку под нагрузкой и автоматическую разгрузку.

По данным измерений строят график (рис.10.12), после обработки которого получают значения x; h_H; U_H; U_гр.

В технологии машиностроения ведутся измерения этих параметров, так как на их основе можно сделать выводы об эксплуатационных возможностях поверхности.

10. 5. Методы и средства исследования остаточных напряжений

10.5.1. Виды остаточных напряжений. Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода - макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.

Напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения 3-го рода- субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Остаточные напряжения 1-го рода в детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае расположения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50...200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения - местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры - результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Фазовые превращения металла (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твердого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объема отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникнуть из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям. Например, при охлаждении чугуна напряжения около зерен графита составляют 14...140 МПа, так как коэффициенты линейного расширения сильно различаются: для углерода 0,000003; для феррита 0,000015; для цементита 0,000012.

В реальном поликристаллическом металле вместо предполагаемого по расчету равномерного распределения напряжений от действия внешней нагрузки имеет место значительная неравномерность напряжений (деформаций) в отдельных зернах металла. Неравномерная пластическая деформация обусловливается разницей в модулях упругости различных структурных составляющих, а также неодинаковой способностью деформироваться по разным кристаллографическим осям одного и того же зерна, которая определяется величиной модулей упругости Е и G. В поликристалле даже при однородном поле напряжений пластическая деформация распределяется в микрообъемах неравномерно, степень неравномерности при этом достигает 400...500%.

Скопление большого количества дислокаций в граничных слоях вызывает многочисленные искажения атомной решетки, а это создает напряжения 3-го рода. Наряду с этим граничный слой - зона силового взаимодействия между отдельными зернами - создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры, при низких температурах остается постоянным.

10.5.2. Образование остаточных напряжений после пластической деформации. Механические свойства конструкционных сталей определяются испытанием образцов на растяжение. В процессе таких испытаний устанавливается зависимость между напряжениями растяжения и деформацией. Типичная кривая деформирования показана на рисунке 10.13. Первый участок диаграммы растяжения образца обычно соответствует линейной зависимости. На этом участке отношение/=const, т.е. здесь справедлив закон Гука, выражающийся равенством

= Е, (10.1)

где Е - модуль упругости материала, численно равный tg (рис.10.13).

При дальнейшем нагружении возникают не только упругие, но и пластические (остаточные) деформации, которые при напряжении, равном пределу текучести материаласоставляют 0,2 %. Уравнение кривой деформирования можно записать в виде:

где n определяется из условия, что кривая проходит через точку, соответствующую пределу прочности материала . Обычно значенияn лежат в пределах 4

Для расчетов чаще всего используют схематизированные кривые деформирования, показанные на рисунке 10.14. Кривая без упрочнения (рис.10.14,а) используется для описания сравнительно небольших пластических деформаций малоуглеродистых сталей, имеющих площадку текучести.

Кривая с линейным упрочнением (рис. 10.14,б) дает лучшее приближение к действительной кривой деформирования.

Первый участок кривых деформированияа и б описывается уравнением (10.1). Для второго участка этой кривой справедливо соотношение

’.

Модуль упрочнения E’ многократно меньше модуля упругости. Обычно его величина составляет E’. Для многих конструкционных сталей кривые деформирования при растяжении и сжатии имеют одинаковый вид в области пластических деформаций. Важное свойство процесса деформирования таких материалов состоит в следующем. Если нагрузить образец выше предела текучести (точка А на рисунке 10.15) и затем снять нагрузку, то разгрузка будет происходить по линии АВ, близкой к прямой, параллельной начальному участку.

Процесс разгрузки можно представить как приложение напряжения с обратным знаком. Тогда, согласно закону Гука, упругая деформация будет

.

После разгрузки в материале сохранится остаточная или пластическая деформация, равная разности

и если снова провести процесс нагружения, то он пойдет по кривой ВАС. До уровня напряжений, соответствующих точке А, пластические деформации возникать не будут. Новые пластические деформации возникнут при напряжениях

В основе определения остаточных напряжений после пластических деформаций лежит известная в теории пластичности теорема о разгрузке. Согласно этой теореме (Генки, 1924 г.), остаточные напряжения равны разности между истинными напряжениями в упругопластическом теле и теми напряжениями, которые создавались бы в нем при предположении об идеальной упругости материала.