Влияние технологических факторов

Наиболее существенными технологическими факторами, влияющими на несущую способность деталей машиностроения, являются остаточные напряжения, анизотропия механических свойств, состояние поверхностного слоя, во многом зависящие от технологии изготовления.

Остаточные напряжения. Остаточными напряжениями принято называть те напряжения, которые присутствуют в детали, свободной от воздействия внешних, в том числе, и реактивных, сил или градиентов температуры. Эти напряжения существуют и уравновешиваются внутри тела после удаления причин, вызвавших их появление.

Причиной возникновения остаточных напряжений первого рода, макронапряжений, является, как правило, остаточная деформация части объема детали или неравномерность остаточной деформации всей детали вследствие необратимых объемных изменений в материале из-за неоднородной по сечению пластической деформации при холодном или горячем деформировании, неравномерного распределения температур по объему изделия при его нагреве и охлаждении и неравномерности по сечению конструктивного элемента процесса фазовых превращений при термообработке и т.п.

Величина остаточных напряжений не может превышать величины предела текучести. Если в момент возникновения остаточных напряжений их уровень будет больше , то со временем за счет релаксации он снизится,

.

Остаточные напряжения особенно заметно могут сказываться на механических свойствах пластичных материалов. В зависимости от знака они могут как повышать прочность, так и снижать ее. Для снятия остаточных напряжений применяют отжиг, который обеспечивает снятие остаточных напряжений практически в любых сталях. Снять остаточные напряжения можно также путем пластического деформирования металла по специальным режимам.

Действие остаточных напряжений аналогично действию постоянных напряжений от статических нагрузок. Учет этих напряжений в расчетах сводится к сложению с напряжениями с напряжениями, возникающими в элементах конструкций под действием приложенных внешних нагрузок.

Остаточные напряжения растяжения могут служить самостоятельной причиной образования трещин и разрушения конструктивных элементов, изготовленных из высокопрочных материалов с малой пластичностью, или материалов, склонных к хрупкому разрушению в реальных условиях эксплуатации. Часто встречаются случаи образования трещин, вызванных остаточными напряжениями в сварных соединениях, фасонных отливках, закаленных деталях. С другой стороны, конструкционная прочность может быть повышена за счет искусственного наведения в деталях остаточных напряжений, особенно работающих при переменных напряжениях.

Анизотропия механических свойств. Одним из основных допущений при расчетах элементов конструкций на прочность в большинстве случаев является предположение однородности и изотропии материала. Между тем в действительности большинство реальных материалов и изделий из них обладают анизотропией механических свойств. Когда анизотропия незначительна, ею можно пренебречь. Во многих других случаях неучет анизотропии может привести к существенным ошибкам как при конструировании, так и при эксплуатации изделий. Используя характеристики механических свойств материалов, приводимые в справочной литературе, при прочностных расчетах следует иметь ввиду, что эти характеристики, как правило, получены в процессе испытаний образцов, вырезанных из заготовок с изотропными свойствами.

Существует несколько видов анизотропии: гомогенная, которая обусловлена неравновероятным распределением ориентировок анизотропных кристаллов при кристаллизации поликристаллических материалов; гетерогенная, связанная с определенной текстурой, полученной вследствие технологической операции и анизотропия, вызванная ориентированными остаточными напряжениями.

Анизотропия механических свойств материала может проявляться по-разному. Один и тот же материал может быть, например, изотропным по характеристикам упругости, мало изотропен по характеристикам прочности и сильно анизотропен по характеристикам пластичности, усталости и т.п.

Учет анизотропии при разработке изделий способствует повышению их надежности и долговечности, а также позволяет наиболее полно использовать все возможности конструкционного материала.

При расчетах на прочность наиболее часто учитывают анизотропию упругих свойств таких сильно анизотропных материалов, как армированные стеклопластики, слоистые и волокнистые композиционные металлические материалы, древесина и др. Для этих материалов на основе накопленных экспериментальных данных создан соответствующий расчетный аппарат, базирующийся на основах теории упругости, который позволяет решать практические задачи.

Применительно к широко используемым в современной технике конструкционным материалам – металлам и их сплавам при расчетах учитывают, в основном, только анизотропию сопротивления деформированию и разрушения, пренебрегая влиянием анизотропии упругих свойств на изменение напряженного состояния. Сложность учета анизотропии механических свойств при прочностных расчетах заключается в использовании в определяющих уравнениях большого количества требующих экспериментального определения характеристик материала, что чрезвычайно громоздко. Отметим, что лишь для ортотропного тела в общем виде требуется 12 констант материала. Даже в этом случае определение 12 характеристик слишком сложно. Поэтому с практической целью для оценки влияния анизотропии на несущую способность изделия чаще всего пользуются приближенными коэффициентами.

К сожалению, общей теории прочности анизотропных материалов к настоящему времени не существует. Сложность решения данного вопроса заключается в неоднозначности ориентировки полей напряжений и полей параметров, характеризующих сопротивление деформированию или разрушению. Если поле напряжений в теле известно или оно может быть определено, то анизотропию свойств используют с целью повышения несущей способности детали. Примером удачного использования анизотропии могут служить трубы и емкости, работающие под давлением, когда их максимальная прочность обеспечивается в окружном направлении, поскольку в этом случае .

Состояние поверхностного слоя. Состояние поверхностного слоя детали оказывает большое влияние на ее несущую способность. Локальное поверхностное нагружение при механической обработке приводит к появлению остаточных напряжений. В результате грубой или тщательной механической обработки изменяется шероховатость поверхности детали, что вызывает концентрацию напряжений. Концентрация напряжений, остаточные напряжения и структурные изменения в поверхностном слое увеличивают склонность малопластичных металлов к хрупкому разрушению, особенно при низких температурах. Грубая механическая обработка существенно сказывается на сопротивлении ударным нагрузкам и повторно-переменному нагружению, особенно деталей из углеродистой стали.

Известно также, что растягивающие остаточные напряжения уменьшают сопротивление усталости. С другой стороны, пластические деформации сжатия, которые могут возникнуть при механической обработке, существенно уменьшают сопротивление ползучести и длительную прочность. Особенно опасным является наклеп поверхности, сопровождающийся образованием мелких трещин, которые в процессе действия вибрационных нагрузок развиваются в усталостные, что приводит к снижению усталостной прочности.

Существуют много способов технологической обработки поверхностного слоя стали: токарная обработка, обработка поверхности роликами, хромирование и др. Все эти способы направлены на то, чтобы улучшить прочностные свойства металлов.

В то же время широко известны способы повышения несущей способности деталей за счет специального создания в поверхностном слое технологическим путем остаточных напряжений или применения специального легирования поверхностного слоя деталей, работающих в агрессивных средах.

Механические характеристики стали, даже одного состава, зависят от способа ее получения и обработки.

При литье возможность образования различных дефектов в виде пустот, раковин и включений увеличивается. Это приводит к снижению механических характеристик прочности стали.

Прокатка меняет структуру стали – делает ее анизотропной. При этом значительно изменяются механические свойства в направлении прокатки – сталь становится более прочной; в других направлениях механические свойства существенно отличаются от свойств в направлении прокатки.

Волочение представляет собой вытяжку с обжатием. Изделия, полученные таким способом, - стальная проволока и стальные листы – обладают высокими прочностными свойствами.

В качестве термической обработки стали используют ее закалку. Закалка стали приводит к значительному повышению предела текучести и временного сопротивления, но при этом снижаются ее пластические свойства; модуль упругости практически не изменяется. Например, для придания указанных свойств низкоуглеродистой стали проводят ее цементацию – увеличение содержания углерода в поверхностном слое, с последующей закалкой этого слоя. Для улучшения структуры и механических свойств стали также применяют нормализацию – нагрев стали до температуры 750...950 ⁰С, выдержка ее и последующее охлаждение на воздухе. Часто нормализация предшествует закалке.