Причинами возникновения внутренних макронапряжений являются неодинаковая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела.
Следующий простой пример поясняет возникновение остаточных напряжений при неодинаковой пластической деформации в разных участках металла. Представим себе, что полоса металла прокатывается в бочкообразных валках, диаметр которых посредине значительно больше, чем по концам.
Центральные слои полосы получают большее обжатие, чем крайние.
Если бы заготовка была составлена, например склеена из набора прутков, то каждый из этих прутков получил бы вытяжку в соответствии со своим обжатием: центральные прутки должны были бы вытянуться сильнее, чем крайние.
Возникновение остаточных напряжений
Возникновение остаточных напряжений в полосе из-за разного обжатия центральных и крайних слоев при прокатке в бочкообразных валках:
1 — полоса до прокатки;
2 — «полоса после прокатки;
3 — центральный слой полосы в случае свободной вытяжки (без взаимодействия с соседними слоями).
Но полоса металла в действительности является монолитным телом, в котором центральные и крайние слои не могут изолированно одни от других вытягиваться на разную длину. Поэтому центральные слои, которые стремятся сильнее вытянуться, будут испытывать сдерживающее влияние крайних слоев и окажутся недовытянутыми. Иначе говоря, в центральных слоях возникнут сжимающие внутренние напряжения.
Крайние слои, наоборот, будут под действием центральных слоев вытянуты на величину больше той, которая определяется их обжатием. Поэтому в крайних слоях возникнут растягивающие внутренние напряжения. Напряжения разного знака взаимно уравновешиваются внутри полосы и сохраняются в металле после окончания прокатки.
Удельный объем меняется при термическом сжатии и расширении, кристаллизации расплава, фазовых превращениях в твердом состоянии и изменении химического состава поверхностных слоев.
Если бы термическое расширение или сжатие, кристаллизация расплава и фазовые превращения в твердом состоянии проходили одновременно и в одинаковой степени по всему объему тела, то внутренние напряжения не возникали бы.
Но при нагреве и охлаждении всегда имеется градиент температур по сечению тела и поэтому указанные выше изменения удельного объема в разных точках металла протекают неодинаково, в результате чего возникают внутренние напряжения.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков