Напряженное состояние поверхностного слоя

Напряженное состояние поверхностного слоя имеет свою специфику не только вследствие того, что при основных видах деформации максимальные напряжения, определяющие прочность детали, возникают у поверхности, но и из-за влияния следующих факторов:

1 появление местных напряжений при контакте поверхностей с начальным касанием по линии или в точке, а при касании по поверхности аналогичные явления возникают при контакте микронеровностей.

2 возникновение местных концентраций напряжений, связанных с резкими изменениями формы поверхности. Концентраторами напряжений могут быть не только конструктивные эле-менты (галтели, отверстия, канавки), но и микрориски, трещины, впадины микронеровностей. Концентрация напряжений часто является причиной зарождения процессов усталостного разрушения.

3 образование внутренних остаточных напряжений.

Известно, внутренние напряжения, возникающие в процессе нагрева и охлаждения детали, образуют равновесную систему и могут проявляться в виде макронапряжений, охватывающих крупные объемы детали (напряжения I рода), микронапряжений в пределах одного или нескольких кристаллических зерен (напряжения II рода) и субмикроскопических напряжений, действующих между элементами кристаллической решетки (напряжения III рода).

Внутренние напряжения, как правило являются следствием определенного технологического процесса, поэтому различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали длительное время, алгебраически складываясь с рабочими (внешними) напряжениями, могут их усиливать или ослаблять.

Рисунок 2 – Типичные эпюры остаточных напряжений I рода в поверхностном слое

Особенно опасны растягивающие напряжения, которые приводят к понижению усталостной прочности и износостойкости (для некоторых видов изнашивания).

Остаточные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при механической обработке, могут относиться к напряжениям как I, так и II рода.

Характер эпюры остаточных напряжений может быть таким, что максимальные напряжения возникают непосредственно у поверхностного слоя (рисунок 2, а), на некоторой глубине, причем у поверхности они равны нулю (рисунок 2, б) или имеют вид, показанный на рисунке 2, в.

Характер эпюры остаточных напряжений и их величина в сильной степени зависят от условий и режимов резания, при механической обработке и от методов поверхностного упрочнения.

Разнообразие эпюр объясняется одновременным действием различных факторов и в первую очередь сочетанием силовых и температурных воздействий.

Пластическая деформация металла увеличивает его удельный объем, поэтому поверхностные слои, пластически деформированные при обработке резанием или при процессах упрочнения, стремясь увеличиться, встречают сопротивление недеформированного слоя металла.

Напряженное состояние зависит от формы и размеров детали, режимов обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

В поверхностном слое могут возникнуть не только нормальные напряжения растяжения — сжатия, но и касательные напряжения. Последние особенно характерны при механической обработке поверхностей, когда имеется тангенциальная составляющая полной силы резания.

Напряженное состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на его эксплуатационные характеристики.