CC BY
89
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Королев Альберт Викторович, д.т.н., профессор, зав. каф. ТМС Мазина Анжела Александровна, аспирант Яковишин Александр Сергеевич, аспирант Шалунов Алексей Викторович, аспирант Саратовский государственный технический университет
имени Ю.А. Гагарина
В статье представлены технологические причины возникновения остаточных напряжений после остывания отливок, обработки давлением, механической обработки, сварки, закалки и поверхностной термической или химико-термической обработки.
Ключевые слова: сварка, закалка, остаточное напряжение.
Рассмотрим некоторые типичные технологические процессы, обусловливающие появление остаточных напряжений.
1. Остаточные напряжения, возникающие после остывания отливок.
Остаточные напряжения в литых деталях возникают при охлаждении отливок в форме. Высокие остаточные напряжения в детали могут вызвать ее коробление или появление «горячих» или «холодных» трещин, если внутренние (временные) напряжения в процессе охлаждения превысят предел прочности материала. «Горячие» трещины появляются в температурном интервале от 1450 до 1250° С. Закономерности возникновения и распределения остаточных напряжений по сечению отливки имеют тот же характер, что и при остывании детали после нагрева. На величину остаточных напряжений, возникающих в отливках от неравномерного охлаждения их в форме, влияют конструкция деталей, температурные поля в них, свойства материала. Основное влияние оказывает не абсолютная разница температур в разных частях отливки, а характер их изменения по сечению. Механизм образования остаточных напряжений от структурной неоднородности не следует смешивать с образованием остаточных напряжений от структурных превращений, происходящих в отливке при ее остывании. В первом случае основной источник остаточных напряжений — разница в коэффициентах температурного расширения, во втором — разница объемных изменений металла при структурных превращениях, в основном при быстром охлаждении детали. Охлаждение отливок обычно происходит медленно, и возникающие от структурных превращений напряжения обычно снимаются за счет релаксации. Напряжения, обусловленные структурной и химической неоднородностью, достигают максимума при температурах, при которых материал отливки находится в упругом состоянии.
Основные вопросы, связанные с закономерностями возникновения и распределения остаточных напряжений в отливках, рассмотрены в работе [2].
2. Остаточные напряжения, возникающие после обработки давлением.
Пластическое формоизменение (ковка, штамповка, прокатка) может
производиться при нормальной и высокой температуре. Одной из главных причин появления остаточных напряжений при горячей обработке давлением является неравномерное охлаждение детали в процессе обработки. Величина остаточных напряжений, возникающих в результате обработки давлением при низкой температуре, зависит от степени обжатия и глубины деформации. Растрескивание прокатанного метала как с поверхности, так и в сердцевине происходит тогда, когда остаточные напряжения после прокатки с большими степенями обжатия превышают предел прочности материал.
3. Остаточные напряжения, возникающие после механической обработки.
Механическая обработка (точение, фрезерование, шлифование и т. д.), как правило, вызывает появление в тонком поверхностном слое значительных остаточных напряжений. Основной особенностью этих напряжений является малая глубина их действия (десятые доли миллиметра). В результате исследований [3], разработан новый метод определения величин и направлений остаточных напряжений. Метод основан на использовании устройства для измерения деформаций при сверлении отверстия.
4. Остаточные напряжения после сварки.
Основными причинами образования остаточных напряжений после сварки являются: температурные напряжения при нагреве до расплавления и последующем остывании материала, неоднородные структурные превращения в шве и зонах термического влияния, изменение растворимости газов, окружающих сварной шов [4].
5. Остаточные напряжения после закалки.
Появление остаточных напряжений после закалки вызывается двумя основными причинами: термическими напряжениями при неоднородном температурном поле и структурными превращениями. Образование остаточных напряжений обусловлено главным образом скоростью охлаждения, кроме того, на образование остаточных напряжений влияет химический состав металла, условия закалки, начальная температура и скорость охлаждения, а также исходное состояние поверхностного слоя.
\ V
>
\
V 4
\
( . V 1 / г 1 Ф о н\г ш.%
1 **
1
N к /
\ )
\ / к
А А 1 л
\ /
V / V > ? 0 2 т
) 1 ! ! V
\ г Ч. / т
\ J Г N ✓
*)
6)
Рисунок 1 - Суммарные остаточные напряжения в зависимости от содержания № в стали с 0,03— 0,06% С. (Закалка с 900°С в воду при 0°С [1]): а — осевые; б— окружные; 1 — на поверхности; 2 — по оси
Остаточные напряжения после поверхностной термической или химико-термической обработки.
Поверхностные термическая и химико-термическая обработки относятся к числу наиболее распространенных и эффективных способов упрочнения деталей машин. В основе этих способов лежит изменение свойств поверхностного слоя при нагреве (поверхностная закалка) или насыщение его углеродом, азотом и другими элементами. Существенное влияние на величину остаточных напряжений оказывает состав стали и ее исходная структура. С увеличением количества углерода сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое уменьшаются из-за преобладающего действия структурного фактора. Возле поверхности в закаленном слое остаточные напряжения (осевые и тангенциальные) - сжимающие [5]. Вблизи границы слоя напржения резко уменьшаются и переходят в растягивающие. Величина и характер распределения остаточных напряжений, в цементованной стали зависит от относительной глубины цементованного слоя (глубина слоя, отнесенная к максимальному размеру сечения), содержания углерода в сердцевине, распределения углерода по сечению цементованного слоя и структуры цементованного слоя. В поверхностном слое азотированных деталей возникают сжимающие остаточные напряжения за счет образования фаз с увеличенным удельным объемом [6]. Непосредственно под азотированным слоем напряжения становятся растягивающими. После азотирования детали дальнейшей термической обработке не подвергают, и охлаждение по окончании процесса азотирования происходит медленно, поэтому тепловые остаточные напряжения в этом случае практически отсутствуют.
Выводы
Механизмы возникновения остаточных напряжений обусловлены природой причины их вызвавшей.
Температурные остаточные напряжения, вызванные нагревом и/или охлаждением, появляются вследствие неравномерного распространения температуры по объему изделия и зависят от скорости и величины температуры. Неравномерное распределение температуры приводит к возникновению неоднородных температурных деформаций и, как следствие, остаточных напряжений. Кроме того, при неравномерном охлаждении изделия температурой близкой к температуре плавления остаточные напряжения возникают вследствие неодновременного структурно-фазового превращения.
Остаточные напряжения после пластической деформации возникают в результате неоднородного распределения деформации по объему изделия.
Остаточные напряжения после механической обработки появляются в результате совместного действия нескольких факторов, в числе которых неравномерная пластическая деформация, локализованный нагрев и фазовые превращения поверхностных слоев изделия.
Остаточные напряжения после химической обработки обусловлены изменением объема структурных элементов в результате внедрения чужеродных атомов в кристалическую решетку материала изделия.
Механизм возникновения остаточных напряжений в электролитически осаждаемых металлах до сих пор остается не известным.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России -Задание № 9.896.2014/K на выполнение НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности
Список литературы
1. Бокштейн М. Ф. В кн. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. М., Изд. АН СССР, 1956, С. 138-213.
2. Дрыга А.И. Вибростабилизирующая обработка сварных и литых деталей в машиностроении: теория, исследования, технология /А. И. Дрыга. - 2-е изд. с изм. - Краматорск. - 2008. - 159 с.
3. Махалов М.С. Расчетные модели остаточных напряжений поверхностного слоя после упрочнения способами поверхностного пластического деформирования/ Махалов М.С.// Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2012. - № 3. -С. 110-115.
4. Скаковский В. Д. Разработка технологии вибрационной обработки сварных конструкций балочного типа : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.03.06 / Скаковский В. Д. -К., 1987. - 16 с.
5. Рожков И.И., Мыльников В.В. Расчет внутренних остаточных напряжений, возникающих в закаленных деталях после химико-термической обработки // Международный журнал экспериментального образования. - 2014. - № 1 - стр. 114-118.
6. Акуличев А.Г., Трофимов В.В. Остаточные напряжения в нитроцементованной стали 20Х3МВФ-ш //Инженерный вестник Дона. - 2010. Т.14-№4. - С.163-169.
Queens albert V., doctor of technical Sciences, Professor, head. DEP. TMS
Mazin Angela A., post-graduate student
Yakovishin Alexander Sergeevich, postgraduate
Rascals Alexey Viktorovich, postgraduate student
Saratov state technical University Yu. a. Gagarin
TECHNOLOGICAL CAUSES OF RESIDUAL STRESSES
The article presents the technological causes of residual stresses after cooling of the casting, forming, machining, welding, hardening and surface thermal or chemical-thermal treatment. Key words: welding, hardening, residual stress.
УДК 621.791:669.715
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СВАРКИ НА СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА 1565ч, ВЫПОЛНЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С
ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Лашин Алексей Николаевич, магистр-студент;
Андреева Людмила Павловна, канд. техн. наук, доцент;
Овчинников Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор Московский политехнический университет
В работе была проведена оценка влияния параметров режима сварки трением с перемешиванием (СТП) на свойства сварного соединения из сплава 1565чМ при изготовлении конструкций с прямолинейными швами большой протяженности.
Ключевые слова: сплавы алюминия, сварка трением с перемешиванием, свойства соединения
Сплав 1565чМ, относится к свариваемым сплавам на основе системы алюминий - магний и обладает лучшим комплексом свойств, чем широко известные сплавы АМг5 и АМг6.
В этой связи он успешно начал применяться для производства сварных конструкций автоцистерн для перевозки сыпучих грузов (цемент, зерно и др.), перевозки топлива (светлые и темные нефтепродукты и т.д.). Это позволило снизить вес конструкций на 20% по сравнению с конструкциями из сплава АМг5.
При изготовлении сварных цистерн и вагонов сложных конструкций возможно применение сварных соединений сплава 1565ч в разноименном сочетании с другими алюминиевыми сплавами.
Учитывая расширяющееся применение сварки трением с перемешиванием (СТП) для изготовления конструкций из листовых алюминиевых сплавов с прямолинейными швами большой протяженности, в задачу данной работы входила оценка влияния параметров СТП на комплекс механических свойств листов сплава 1565чМ.
Для исследований использовали листы алюминиевого сплава 1565чМ толщиной 5 мм, фактический химический состав которого представлен в табл. 1, а механические свойства - в табл. 2.
