CALCULATION OF RESIDUAL STRESSES BY ETCHING CANTILEVERED SAMPLE

Abstract

The author describes experimental-and-theoretical method of determination of technological residual stresses with application of layer-by-layer etching of the cantilever-fixed sample. The method of calculation of the residual stresses in the surface lays of the material is corrected

Остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей создаются в ре- зультате обработки. Значительные остаточные напряжения возникают после механической обработки: точения, фрезерования. Их появление связано с си- ловым и тепловым воздействием инструмента, что приводит к большим силовым и температурным градиентам в зоне обработки. Так, при точе- нии растягивающие остаточные напряжения могут составлять 300…600 МПа при глубине залегания 0,1…0,2 мм, а максимальные температуры в зоне резания - 500…800°С. [1, 6]. Остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей возникают после термической и химико-термической обработки. При поверхностной закалке токами высокой частоты, цементации, азоти- ровании и цианировании деталей зубчатых передач в их поверхностных слоях создаются сжимающие остаточные напряжения. Если при шлифовании поверх- ности зубьев после химико-термической обработки не возникают остаточные напряжения (обычно растягивающие), то сопротивление усталости передач воз- растает [2]. Остаточные напряжения возникают также в стенках отливок, в элементах сварных соединений [3], при обработке заготовок давлением и т.д. Величина остаточных напряжений является важным параметром, оп- ределяющим качество изделий, влияет на работоспособность и долговеч- ность деталей, что особенно важно при работе в условиях знакоперемен- ных и динамических нагрузок. Поэтому большое значение имеет точ- ность определения остаточных напряжений. Определению остаточных напряжений посвящено большое число работ. Их анализ показывает, что наряду с неразрушающими методами диагностики, на- пример рентгеновским, широкое применение имеют механические методы, ос- нованные на последовательном стравливании поверхностных слоев с образцов, вырезаемых из детали электроискровым или другим методом. При послойном снятии тонких слоев материала измеряют прогиб и оста- точную толщину образца. Образцы выполняются в виде призматических стерж- ней. Их закрепляют шарнирно по концам или консольно. При этом по ряду причин консольное закрепления образцов оказывается более удобным. Процесс стравливания материала с рабочей поверхности образца осущест- вляется с помощью специального устройства, которое может работать как в ручном, так и в автоматическом режиме [5]. При определении остаточных напряжений в консольно закрепленном об- разце получают три последовательных ряда экспериментальных данных: тол- щина образца , , …, , …, ;толщина снятых слоев , , …, , …, ; приращения прогибов образца , , …, , …, . На заключительном этапе вычисляют остаточные напряжения в каждом элементарном слое, начиная с поверхностного и далее вглубь материала. При расчете остаточных напряжений используют формулу [5] согласно которой для определения остаточных напряжений в - м слое необхо- димо учитывать напряжения изгиба и растяжения, вызванные снятием всех предыдущих слоев, что весьма неудобно и сильно усложняет расчеты, особенно при ручном режиме работы. В работе [4] для расчета остаточных напряжений в консольно закрепленном образце получена следующая формула: Там же показано, что расчет напряжений формуле (2) точнее, чем по пре- дыдущей. Он в большей степени соответствует расчету по классической мето- дике (для образца с двумя шарнирно опертыми краями). Кроме того при опре- делении остаточных напряжений в -м слое по формуле (2) учитываются толь- ко напряжения при снятии предыдущего и данного слоев. Следует отметить, что второе слагаемое в формуле (2) сильно зависит от толщины снимаемого слоя. При ее уменьшении доля второго слагаемого также уменьшается. При толщине снимаемого слоя до двадцати микрометров его доля не пре- вышает двух процентов. Поскольку остаточные напряжения значительно изме- няются в пределах поверхностных слоев, то для увеличения точности измере- ний требуется удаление очень тонких слоев. В таком случае остаточные напря- жения в удаляемом слое материала можно вычислить непосредственно через параметры только этого слоя, отказавшись от второго слагаемого в формуле (2). Тогда формула для расчета остаточных напряжений примет вид Это позволит при обработке экспериментальных данных существенно упро- стить расчеты поверхностных остаточных напряжений.