Навигация по таблицам
- Таблица 1. Остаточные напряжения после механической обработки
- Таблица 2. Остаточные напряжения после термической обработки
- Таблица 3. Остаточные напряжения после получения заготовок
- Таблица 4. Остаточные напряжения после поверхностного упрочнения
- Таблица 5. Методы снижения остаточных напряжений
Таблицы остаточных напряжений
| Вид обработки | Характер напряжений | Величина напряжений, МПа | Глубина залегания, мкм | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Точение | Сжатие | 200-800 | 50-100 | Зависит от скорости резания и переднего угла резца |
| Фрезерование | Сжатие/растяжение | 150-600 | 30-80 | Зависит от режимов резания и охлаждения |
| Шлифование | Растяжение | 400-800 | 20-50 | Тепловой фактор преобладает |
| Суперфиниширование | Сжатие | 700-900 | 1.0-1.5 | Интенсивное пластическое деформирование |
| Ленточное шлифование | Сжатие | 400-500 | 10-30 | Меньший нагрев, чем при обычном шлифовании |
| Ручное полирование | Сжатие | 400-600 | 5-15 | Минимальный нагрев поверхности |
| Вид термообработки | Температура, °C | Характер напряжений | Снижение напряжений, % | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Закалка | 800-900 | Растяжение/сжатие | - | Создает высокие остаточные напряжения |
| Низкий отпуск | 160-200 | Снижение напряжений | 15-25 | После закалки, сохраняет твердость |
| Средний отпуск | 350-450 | Снижение напряжений | 40-60 | Для пружин и рессор |
| Высокий отпуск | 550-680 | Снижение напряжений | 85-90 | После сварки, для конструкций |
| Цементация | 900-950 | Растяжение в местах обрыва слоя | - | Требует последующей термообработки |
| Азотирование | 480-520 | Сжатие в поверхностном слое | - | Минимальные деформации |
| Способ получения заготовки | Основная причина напряжений | Характер напряжений | Типичная величина, МПа | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|
| Литье | Неравномерное охлаждение | Растяжение/сжатие | 50-250 | Естественное старение 2-3 месяца |
| Ковка | Неравномерное охлаждение и деформация | Растяжение/сжатие | 100-300 | Отжиг или нормализация |
| Штамповка | Неравномерная деформация | Растяжение/сжатие | 150-400 | Отжиг для снятия напряжений |
| Прокат | Неравномерное охлаждение | Растяжение на поверхности, сжатие внутри | 100-350 | Зависит от размера сечения |
| Сварка | Локальный нагрев и охлаждение | Растяжение в шве, сжатие в ЗТВ | 200-600 | Высокий отпуск обязателен |
| Метод упрочнения | Характер напряжений | Величина напряжений, МПа | Глубина слоя, мм | Влияние на усталостную прочность |
|---|---|---|---|---|
| Дробеструйная обработка | Сжатие | 300-600 | 0.1-0.3 | Повышение на 20-40% |
| Поверхностная закалка ТВЧ | Сжатие | 400-800 | 1-5 | Повышение на 50-100% |
| Накатка роликами | Сжатие | 200-500 | 0.2-0.5 | Повышение на 30-50% |
| Чеканка | Сжатие | 250-450 | 0.1-0.2 | Повышение на 25-35% |
| Ультразвуковая обработка | Сжатие | 150-350 | 0.05-0.15 | Повышение на 15-30% |
| Метод снижения напряжений | Параметры процесса | Эффективность снижения, % | Время обработки | Особенности применения |
|---|---|---|---|---|
| Естественное старение | Комнатная температура | 50-70 | 2-3 месяца | Для отливок и крупных заготовок |
| Термический отжиг | 550-680°C | 85-90 | 2-4 часа | Наиболее эффективный метод |
| Виброобработка | Резонансные частоты | 40-60 | 30-60 минут | Не снижает твердость |
| Ультразвуковая ударная обработка | 20-40 кГц | 50-70 | 10-30 минут | Для сварных швов |
| Холодная правка | Механическое воздействие | 20-40 | 5-15 минут | Может создать новые напряжения |
Оглавление статьи
- Введение в проблематику остаточных напряжений
- Классификация остаточных напряжений
- Остаточные напряжения после механической обработки
- Остаточные напряжения после термической обработки
- Остаточные напряжения в заготовках
- Методы контроля и снижения остаточных напряжений
- Практические рекомендации для технологов
1. Введение в проблематику остаточных напряжений
Остаточные напряжения представляют собой внутренние напряжения, которые существуют в материале при отсутствии внешних механических воздействий. Эти напряжения являются результатом неравномерных пластических деформаций, температурных градиентов или структурных превращений, происходящих в процессе изготовления и обработки деталей.
Для технологов машиностроительных предприятий понимание природы остаточных напряжений и методов их контроля является критически важным для обеспечения качества и надежности выпускаемой продукции. Неучтенные остаточные напряжения могут привести к браку на финальных операциях обработки или преждевременному выходу из строя готовых изделий.
2. Классификация остаточных напряжений
2.1. По масштабу проявления
Согласно общепринятой классификации, остаточные напряжения подразделяются на три рода:
Напряжения I рода (макронапряжения)
Эти напряжения охватывают объемы, соизмеримые с размерами всего изделия или его значительных частей. Они уравновешиваются в пределах всей детали и могут вызывать ее общую деформацию. Именно эти напряжения наиболее опасны с точки зрения искажения геометрии деталей.
Напряжения II рода (микронапряжения)
Уравновешиваются в пределах одного или нескольких зерен металла. Эти напряжения связаны с неоднородностью пластической деформации отдельных зерен и межзеренными взаимодействиями.
Напряжения III рода (субмикронапряжения)
Уравновешиваются в пределах нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки. Связаны с дефектами кристаллической структуры: дислокациями, вакансиями, внедренными атомами.
2.2. По характеру напряженного состояния
Остаточные напряжения могут быть растягивающими или сжимающими. Растягивающие напряжения, как правило, являются нежелательными, так как они снижают усталостную прочность и могут способствовать развитию трещин. Сжимающие напряжения, напротив, часто являются полезными, повышая усталостную прочность и препятствуя развитию трещин.
3. Остаточные напряжения после механической обработки
3.1. Обработка резанием
При механической обработке резанием возникновение остаточных напряжений обусловлено двумя основными факторами:
Силовой фактор
Пластическая деформация поверхностного слоя под действием режущего инструмента приводит к его удлинению. Связь с нижележащими недеформированными слоями препятствует этому удлинению, создавая в поверхностном слое напряжения сжатия.
Тепловой фактор
Интенсивный нагрев поверхностного слоя при резании с последующим быстрым охлаждением создает температурные деформации. При охлаждении поверхностный слой стремится сократиться, но этому препятствуют нижележащие слои, что приводит к возникновению растягивающих напряжений.
3.2. Точение
При точении углеродистых сталей характер остаточных напряжений существенно зависит от режимов резания:
Пример влияния режимов резания при точении
При точении стали 45 резцом с положительным передним углом γ = +10° на скорости резания V = 100 м/мин в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия величиной 200-400 МПа. При увеличении скорости резания до V > 300 м/мин и использовании резца с отрицательным передним углом γ = -5° напряжения сжатия могут достигать 600-800 МПа.
3.3. Шлифование
Шлифование характеризуется преобладанием теплового фактора над силовым. Высокие локальные температуры в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью приводят к возникновению растягивающих остаточных напряжений.
4. Остаточные напряжения после термической обработки
4.1. Закалка
Закалка является одним из основных источников остаточных напряжений в термически обработанных деталях. Механизм их возникновения связан с неодновременностью фазовых превращений и температурных деформаций в различных слоях детали.
Расчет термических напряжений при закалке
Максимальные термические напряжения σmax можно оценить по формуле:
σmax = α × E × ΔT / (1 - μ)
где: α - коэффициент линейного расширения; E - модуль упругости; ΔT - перепад температур; μ - коэффициент Пуассона.
Для стали 40Х при закалке от 850°C в воду: σmax ≈ 12×10⁻⁶ × 2×10⁵ × 800 / 0.7 ≈ 2740 МПа
4.2. Химико-термическая обработка
Цементация, азотирование и нитроцементация создают в поверхностном слое сложное напряженное состояние, обусловленное изменением химического состава, структуры и удельного объема материала.
Особенности напряжений после цементации
После цементации стали 20Х на глубину 1.2 мм и последующей закалки в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения 300-500 МПа, обусловленные увеличением удельного объема при мартенситном превращении высокоуглеродистого слоя. Однако в местах обрыва цементованного слоя (галтели, выточки) могут возникать опасные растягивающие напряжения.
5. Остаточные напряжения в заготовках
5.1. Литые заготовки
В литых заготовках остаточные напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения различных частей отливки. Наибольшие напряжения возникают в местах сопряжения элементов различной толщины.
Факторы, влияющие на остаточные напряжения в отливках
- Конфигурация отливки (соотношение толщин стенок)
- Скорость охлаждения
- Материал отливки и его склонность к фазовым превращениям
- Жесткость литейной формы
- Наличие прибылей и холодильников
5.2. Кованые и штампованные заготовки
При ковке и штамповке остаточные напряжения возникают из-за неравномерности пластической деформации по объему заготовки и неравномерного охлаждения после горячей обработки.
5.3. Сварные конструкции
Сварка создает наиболее высокие остаточные напряжения среди всех технологических процессов. В зоне сварного шва напряжения могут достигать предела текучести материала.
6. Методы контроля и снижения остаточных напряжений
6.1. Методы измерения остаточных напряжений
Разрушающие методы
Метод Закса основан на послойном удалении материала с измерением возникающих деформаций. Этот механический метод позволяет определить распределение напряжений по глубине с высокой точностью. Согласно ГОСТ 32207-2013, разрушающий метод предполагает постепенное высвобождение напряжений путем механической разрезки или сверления с одновременным контролем изменения внутренних напряжений тензометрированием.
Неразрушающие методы
Современные неразрушающие методы включают рентгеновскую дифрактометрию, ультразвуковой метод (основанный на эффекте акустоупругости) и магнитоупругий метод. Эти методы позволяют оценить напряжения без разрушения детали, но имеют ограничения по глубине контроля. Согласно актуальным стандартам, применяемые ультразвуковые приборы должны иметь действующие свидетельства о поверке или калибровке.
6.2. Технологические методы снижения остаточных напряжений
Виброобработка как альтернатива термическому отжигу
Современные установки виброобработки позволяют снизить остаточные напряжения на 40-60% за 30-60 минут обработки. При этом, в отличие от термического отжига, не происходит снижения твердости материала. Это особенно важно для деталей, прошедших упрочняющую термообработку.
7. Практические рекомендации для технологов
7.1. При разработке технологического процесса
- Анализ конструкции детали: Выявить концентраторы напряжений, резкие переходы сечений, места возможного коробления.
- Выбор оптимальной последовательности операций: Черновые операции должны предшествовать операциям снятия напряжений.
- Назначение припусков: Учитывать возможные деформации от перераспределения остаточных напряжений.
- Планирование операций стабилизации: Предусмотреть естественное или искусственное старение между черновыми и чистовыми операциями.
7.2. Типовые решения для различных деталей
Пример: Обработка корпусной детали из чугуна СЧ20
Последовательность операций:
- Естественное старение отливки - 2 месяца
- Черновое фрезерование базовых поверхностей
- Искусственное старение (отжиг 550°C, 3 часа)
- Чистовое фрезерование
- Расточка отверстий с припуском 0.2 мм
- Виброобработка - 40 минут
- Финишная расточка отверстий
7.3. Контроль остаточных напряжений в производстве
Для обеспечения стабильного качества продукции рекомендуется:
- Периодический контроль остаточных напряжений в критичных деталях
- Ведение карт технологического процесса с указанием ожидаемых уровней напряжений
- Статистический контроль деформаций после механической обработки
- Создание базы данных по остаточным напряжениям для типовых технологических процессов
Экономический эффект от управления остаточными напряжениями
Правильное управление остаточными напряжениями позволяет:
- Снизить процент брака на 15-25%
- Уменьшить припуски на финишные операции на 20-30%
- Повысить усталостную прочность деталей на 30-50%
- Увеличить межремонтный период оборудования на 40-60%
