Исследование свойств диффузионного слоя быстрорежущих сталей (Исследовательский раздел дипломного проекта), страница 3

Диссипационные методы определения напряжений в наибольшей степени можно отнести к средствам технологического обеспечения производства.

Преимущества: независимость от размеров исследуемой детали, неразрушающий характер действия на исследуемую поверхность и возможность определения дефектов на значительной глубине относительно поверхности.

Недостаток: является сложность специальных средств их осуществления и сложность интерпретации полученных экспериментальных данных.

Возникновение остаточных напряжений

Общей причиной возникновения остаточных напряжений в детали является неоднородность линейных и объемных изменений ее материала. Этими изменениями сопровождаются многие технологические процессы: термическая и термохимическая обработка металла, его пластическая деформация и т. п.

В зависимости от зоны влияния различают:

-  остаточные напряжения первого рода, зона влияния которых охватывает весь объем изделия или значительную его часть;

- остаточные напряжения, второго рода, когда размеры зон имеют макроскопический характер и ограничиваются объемом одного или нескольких зерен металла;

- остаточные напряжения третьего рода, когда размер зон имеет микроскопический характер и охватывает лишь объемы нескольких кристаллических ячеек зерна.

В настоящее время разработан ряд методов количественного и качественного анализов остаточных напряжений. Наиболее распространенными из них являются механические методы, иначе называемые методами последовательного снятия слоев, при которых о величине остаточных напряжений первого рода судят по деформации, сопровождающей удаление того или иного слоя изделия.(травление, механизм тот же) Эти методы отличаются простотой и наглядностью. Они позволяют оценить не только величину, но и характер распределения остаточных напряжений первого и второго рода по сечению детали. Недостатком является то, что измерение напряжений этими методами требует разрушения детали.

Для определения причин возникновения остаточных напряжений рассмотрим диффузионные изменения в кристаллической решетке, в любом веществе происходит флуктуация тепловых колебаний, в результате которой отдельные атомы приобретают значительно большую энергию, чем средний уровень энергии атомов, характеризуемый температурой данного тела. Эти атомы могут покидать равновесные положения в узлах решетки и перемещаться в междоузлиях, оставляя места в узлах решетки незанятыми.

Атом, расположенный в междоузлии решетки, называется дислоцированным атомом, а узел в кристаллической решетке, не занятый атомом, называется,  вакансией. Для атомов вокруг вакансии или дислоцированного атома нарушается равномерность окружения атомами - соседями по сравнению с бездефектными участками решетки (см. рисунок 3.1). В результате этого вокруг вакансии или вокруг дислоцированного атома возникает поле упругих искажений кристаллической решетки.

Рисунок 3.1 – Возникновение внутренних напряжений

Т. е. мы  получаем внутренние напряжения, которые возникают в обособленной ячейке кристаллической решетки. Таким образом возникают в первую очередь напряжения третьего рода. Если искажения кристаллической решетки охватывают большие объемы, то речь идет уже о возникновении напряжений второго и первого рода.  Механизм их возникновения: неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхностных слоях образуются растягивающие, а во внутренних слоях – сжимающие напряжения.

После того как поверхность охладиться и изменение объема прекратится, сердцевина еще испытывает тепловое сжатие. Затем напряжения сжатия начинают уменьшаться, и в некоторый момент происходит смена знака напряжений на поверхности и в сердцевине. После полного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – растяжения. Появление остаточных напряжений происходит в результате того, что временные напряжения вызывают не только упругую, но еще и  неодинаковую и неодновременную пластическую деформацию слоев по сечению.