Поверхность прочности

При подаче напряжения на электроды начинается процесс растворения материала заготовки-анода. Растворение происходит главным образом на выступах микронеровностей поверхности вследствие более высокой плотности тока на их вершинах. Кроме того, впадины между микровыступами заполняются продуктами растворения: оксидами или солями, имеющими пониженную проводимость. В результате избирательного растворения, т. е. большей скорости растворения выступов, микронеровности сглаживаются и обрабатываемая поверхность приобретает металлический блеск. Электрополирование улучшает электрофизические характеристики деталей, так как уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой обрабатываемых поверхностей не деформируется, исключаются упрочнение и термические изменения структуры, повышается коррозионная стойкость.

Сущность процесса обдувки дробью заключается в том, что обрабатываемая поверхность подвергается многочисленным ударам стальной или чугунной дроби, выбрасываемой на обрабатываемую поверхность пневматическим или механическим способом. В результате такой обработки поверхность приобретает наклеп. Пневматические устройства для обдувки дробью работают аналогично пескоструйным аппаратам. В механических устройствах имеется вращающийся с большой скоростью ротор, который выбрасывает дробь на обрабатываемую поверхность.

Установлено, что щелочные катионы можно удалять из кремнеземистых стекловидных поверхностей, после чего такая поверхность приобретает пористую структуру. Молекулы аппрета, хемо-сорбированные окисью кремния, должны сохраняться. Если при повышении рН раствора происходит дальнейший гидролиз поверхности окиси кремния, то возможен также гидролиз силоксановых связей между молекулами аппрета или между ними и поверхностью субстрата.

Процесс коррозии начинается с поверхности и при развитии распространяется вглубь. В случае, когда продуктами коррозии покрыта вся поверхность, говорят о сплошной коррозии, которая может быть равномерной и неравномерной. При неравномерной коррозии поверхность приобретает своеобразный чешуйчатый характер. Местная коррозия характеризуется локализацией взаимодействия на отдельных участках поверхности металла, при этом различаются: коррозия пятнами, когда диаметр поражения больше глубины; язвенная коррозия — диаметр поражения примерно равен глубине проникновения; точечная (питтинговая) коррозия — диаметр поражения меньше глубины проникновения.

Поэтому, например, при скорости деформирования 50 м/с и выше резко изменяется форма испытанного на сжатие образца. Боковая поверхность приобретает уже не бочкообразную форму, как при низких и умеренных скоростях, а вогнутую, так как у торцов образца течение металла проходит более интенсивно, чем в центральной части [118].

Нитевидная коррозия. Коррозия этого типа обычно развивается под органическими, а иногда и под гальваническими покрытиями со слабой адгезией в результате действия влажного воздуха на полированные стальные поверхности. Пораженная поверхность приобретает мозаичный вид. Высоколегированные стали не склонны к нитевидной коррозии. Причиной возникновения нитевидной коррозии являются шлаковые включения или механическое повреждение лакового слоя.

Удельная термо-ЭДС определяется материалами электрической цепи и равна, например, для меди а = 32 мкВ/град, для железа а = 15 мкВ/град. В процессе трения в кислой среде происходит нарушение теплового равновесия, смещается электродный потенциал, образуется разность потенциалов. Вследствие высокой температуры трущаяся поверхность приобретает более положительный потенциал, а поверхности обойм из медьсодержащих сплавов менее положительный (отрицательный). В результате возникновения термо-ЭДС медь с поверхности обойм переходит в раствор, а из раствора присоединяя свободные электроны в зоне контакта, ионы меди осаждаются на трущихся поверхностях в виде медной пленки.

Обкатка с усилием 400 Н заметно сглаживает неровности и шероховатость поверхности образца понижается на один-два класса. Однако с повышением усилия обкатки до 600 Н шероховатость поверхности несколько увеличивается, а при —800 Н начинает понижаться, поверхность приобретает волнистый профиль. Повышение усилия до 1200 Н при обкатке образцов из сталей, термически обработанных на твердость НВ 285—311, привело к образованию на их поверхности небольших рванин, а при усилии 2000 Н — к разрушению поверхностного слоя путем трещи нообразования и шелушения. У более прочных сталей (НВ 352—375) начало разрушения упрочненного слоя смещается в сторону больших усилий обкатки. У этих сталей (табл. 20) с повышением усилия обкатки от 400 до 800 Н микротвердость поверхностных слоев увеличивается до 30 %, Стали с меньшей исходной твердостью более воспри и мчи вы к поверхностному наклепу и при тех же параметрах обкатки степень наклепа составила 25—40 %. Стали с низшей исходной твердостью имеют несколько большую глубину наклепа, чем более высокопрочные стали. Полученные данные (см. табл. 20) показывают, что не всегда имеется корреляция между степенью и глубиной наклепа (определенных по изменению микротвердости) и пределом выносливости стали.

При сварке вертикальных швов их заполнение может производиться снизу вверх или сверху вниз. Сварка снизу вверх даёт вполне доброкачественный металл шва и при этом шлак не затекает в зазор между кромками свариваемых элементов, но наружная поверхность приобретает по мере наращивания металла бугристый характер. При сварке сверху вниз шов получается с гладкой тонкочешуйчатой поверхностью, но в процессе сварки шлак затекает в разделку шва и затрудняет работу сварщика.

В процессе полирования деталь под определенным давлением прижимается к рабочей поверхности быстро-вращающегося полировального круга, на которую тем или иным способом нанесен абразивный порошок или паста. В результате обработки поверхность приобретает повышенные против исходных гладкость и блеск.

Растворение крупных выступов 3 называется макрополированием, а малых неровностей 4 — микрополированием. Если макро- и микрополирование протекают одновременно, то поверхность приобретает гладкость и блеск.

Рис. 2. Схематическое изображение произвольных поверхностей прочности для плоского напряженного состояния: а — замкнутая поверхность прочности (два корня), б — незамкнутая поверхность прочности (один корень).

Поверхности прочности различных анизотропных композитов соответствуют многочисленным механизмам разрушения и могут иметь самые разнообразные размеры и форму, так что для описания таких поверхностей необходимо иметь достаточно гибкую математическую модель. Несмотря на то что форма поверхности прочности может быть достаточно сложной, по аналогии с выводами общей теории пластичности можно ожидать, что она будет выпуклой (Поль [38]), но даже при отсутствии выпуклости (Ашкенази [1]) для любой заданной траектории на-гружения условие разрушения, записываемое в виде некоторого уравнения, имеет только один корень. Например, две прямолинейные траектории, идущие вдоль коллинеарных лучей, пересекают, как показано на рис. 2,а, поверхность прочности не более чем в двух точках. Наличие единственного корня (рис. 2,6), означающее, что для некоторых траекторий нагружения материал обладает бесконечной прочностью, физически допустимо, но в инженерной практике встречается редко.

Форму поверхности прочности, соответствующую любому феноменологическому критерию, невозможно полностью определить до тех пор, пока экспериментально не исследованы все возможные напряженные состояния среды. Если экспериментальные точки лежат далеко друг от друга, то поверхность прочности может показаться гладкой, в то время как более тщательные эксперименты могут выявить более тонкую и сложную структуру. Хорошо известным примером являются экспериментальные работы последних лет, когда были открыты угловые точки на изотропной поверхности текучести. Однако в действительности степень точности построения поверхности прочности представляет собой компромисс между требованиями инженерной практики и имеющимися в распоряжении экспериментатора средствами и временем. Следовательно, математическая модель .должна служить руководством при выявлении нерегулярностей формы поверхности прочности и в то же время должна быть такой, чтобы ее можно было легко упростить и приспособить к исследованию данного конкретного материала в данных условиях.

Для обсуждения упомянутых выше требований будет использовано уравнение (1); при этом следует иметь в виду, что возможны эквивалентные формулировки через деформации, а с использованием определяющих уравнений — и через работу. Очевидно, существует очень много различных функций, которые имеют вид входящей в уравнение (1) функции и могут описывать некоторую поверхность прочности. Требование инвариантности по отношению к выбору системы координат суживает возможности выбора, так как допустимые функции должны выражаться через инварианты напряжений, главные напряжения или скалярные функции от напряжений.

где Et и E't имеют тот же смысл, что и в формуле (11). Для ортотропного материала Е6 = Eg и, следовательно, поверхность прочности симметрична по отношению к оси ее- Геометрическая интерпретация данного критерия в двумерном случае (двумерном пространстве деформаций (eb e2) приводится на рис. 4, а, где получается кривая в виде прямоугольника. В приложениях обычно предполагается, что предельное значение растягивающих деформаций равно ЕЬ В то же время рассмотрение физических аспектов разрушения показывает, что приписывать параметру EI роль универсального ограничителя растягивающих деформаций, строго говоря, нельзя. Заметим, что при одноосном напряженном состоянии, определяемом напряжением а\, деформированное состояние является трехмерным (в силу эффекта Пуассона). Во избежание возможных осложнений пришлось постулировать (условия (14а) и рис. 4), что каждая отдельная компонента тензора деформаций не влияет на предельно возможные значения остальных компонент. Таким образом, критерий максимальной деформации для анизотропных материалов

Аналитическими преобразованиями или непосредственным графическим построением можно проверить, что уравнение (146) определяет ту же поверхность прочности, что и уравнение (На). Раскрывая скобки в левой части уравнения (146), получаем полином, который можно сравнить с полиномом в формуле (10). Для упрощения выкладок при таком сравнении рассмотрим лишь первый квадрант в пространстве деформаций. Тогда при

Поскольку в современных технических приложениях критерий максимальной деформации обычно записывается через напряжения, данный критерий необходимо исследовать и в такой формулировке. Для этого, следуя принятой практике (Уэддупс [50]), отобразим поверхность прочности из пространства деформаций в поверхность .прочности в пространстве напряжений при помощи обобщенного закона Гука:

Используя или уравнение (23в), или результат подстановки выражений (24) в уравнение (56), легко показать, что поверхность прочности сводится к обычному параллелограмму (рис. 4,6). Так как в действительности выражения (15) и (24) для компонент FI и Fij соответствуют одному и тому же критерию (максимальной деформации), они должны быть связаны между собой соотношениями вида (12). Для того чтобы проверить это, заметим, что выражения для компонент /%• и F^ тензоров поверхности прочности по напряжениям получаются непосредственно из выражений (15) для компонент тензоров поверхности прочности по деформациям G,- и G,-,- при помощи соотношений

Из того факта, что критерий максимальной деформации описывается, как показано на рис. 4, кусочно линейными функциями, следует необходимость наложения дополнительных ограничений на поверхность прочности в пространстве напряжений, обеспечивающих согласование критерия с известными физическими представлениями о явлении разрушения. В случае плоской деформации пластин из анизотропного материала, подчиняющегося закону Гука (утверждение (20)), критерий максимальной деформации можно записать через максимальные напряжения:

Поверхность прочности в плоскости (аь а^), описываемая уравнениями (29а) —(29г), изображена на рис. 5, а для 5\2 < 0.

Сплошной линией показана поверхность прочности, соответствующая случаю 06 = 0, штриховой — соответствующая случаю — Х'& < 06 < Х6. Для ортотропных материалов, для которых часто используется критерий максимальной деформации, Sis = S2e = 0 и обе поверхности совпадают, т. е. наличие напряжения 06 не влияет на форму поверхности прочности в плоскости (0], 0з). Поверхности прочности в плоскостях (0i, 0e) и (02, ов) описываются соответствующими наборами из уравнений (28) и по форме сходны с поверхностями, изображенными на рис, 5, а.