Виды напряжений

Различают термические и фазовые (структурные) внутренние напряжения, которые возникают соответственно в результате термического сжатия или расширения и фазовых превращений в твердом состоянии при наличии в теле градиента температур.

Внутренние напряжения могут возникнуть практически при любой обработке, причем одна технологическая операция может привести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации.

Например, при горячей обработке давлением, кроме напряжений, образовавшихся из-за неоднородной пластической деформации, могут возникнуть термические, а также фазовые напряжения, если горячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение. При литье, сварке и закалке возникают термические и фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и очень часто дают весьма сложные эпюры.

В соответствии с названием технологического процесса различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения сказываются на поведении изделия при обработке, эксплуатации и даже при хранении на складе.

Остаточные напряжения, алгебраически складываясь с рабочими извне приложенными напряжениями, могут их усиливать или ослаблять. Как правило, наиболее опасны растягивающие остаточные напряжения, так как они, складываясь с растягивающими напряжениями от внешних нагрузок, приводят к разрушению, хотя эти нагрузки могут быть и невелики.

Особенно опасны растягивающие напряжения при трехосном растяжении.

Как известно, напряженное состояние при трехосном растяжении
— наиболее «жесткое», так как касательные напряжения, вызывающие пластическое течение, чрезвычайно малы или равны нулю, вследствие чего создаются благоприятные условия для хрупкого разрушения. Остаточные напряжения особенно опасны также в изделиях из малопластичных сплавов и таких, которые становятся хрупкими при понижении температуры.

При больших остаточных напряжениях разрушение часто происходит от незначительных по величине нагрузок (особенно ударных). Так, например, трещины в стальных отливках могут возникать при очистке их пневматическим молотком и даже от сквозняка зимой (из-за добавления термических напряжений к остаточным).

Крупные слитки полунепрерывного литья из малопластичных алюминиевых сплавов через некоторое время после окончания литья могут разрушаться от случайных небольших сотрясений или ударов; освобождающаяся при разрушении упругая энергия так велика, что одна часть слитка весом в сотни килограммов с сильным треском отрывается и отлетает на расстояние в несколько метров.

Остаточные растягивающие напряжения в сварных конструкциях приводят иногда к серьезным авариям. Разрушения сварных мостов и цельносварных судов часто связывают с проявлением больших остаточных напряжений, близких к разрушающим.

Цельносварные суда из-за остаточных растягивающих напряжений иногда разрушались под воздействием незначительных внешних факторов, например от удара ломом при очистке палубы от льда. Проблема остаточных напряжений в сварных конструкциях привлекла к себе особенно большое внимание после того, как несколько цельносварных судов разломились пополам во время плавления или стоянки.

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях особенно вредны для деталей, работающих при знакопеременной нагрузке, так как такие напряжения способствуют усталостному разрушению (напомним, что усталостная трещина зарождается на поверхности изделия).

Вредное действие остаточных напряжений сказывается в повышении общей химической активности металла. Особенно вредно усиление межкристаллитной коррозии под действием растягивающих остаточных напряжений (сезонное растрескивание латуни).

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Механизм эффективного уменьшения остаточных напряжений

Если сплав содержит фазы с резко различающимися термическими коэффициентами линейного расширения (силумины, металлокерамические материалы), то по сравнению с обычным отжигом более эффективен циклический отжиг с обработкой холодом. Такой комбинированной термообработке подвергают детали, к которым предъявляют особо жесткие требования по стабильности размеров во время хранения и эксплуатации высокоточных приборов. Детали из силуминов типа АЛ2 и АЛ9…

Использование отжига для уменьшения напряжений

Использование отжига для уменьшения напряжений лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями, которые могут произойти при нагреве. Например, чтобы достаточно полно снять закалочные напряжения в изделиях из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, необходимо нагревать их до температур около 230 — 260 °С. Но при таких температурах в алюминиевых сплавах происходит перестаривание, сопровождающееся снижением прочности, а у…

Отжиг для уменьшения напряжений

Холоднокатаные листы и штамповки из меди, никеля, титана и деформируемых сплавов на их основе отжигают для уменьшения остаточных напряжений при температурах не выше точки начала рекристаллизации, чтобы сохранить высокие прочностные характеристики наклепанного металла. Отжиг для уменьшения напряжений широко применяют к латуням, содержащим более 20% Zn, так как они характеризуются сильной склонностью к коррозии под напряжением…

Уменьшение остаточных напряжений при отжиге

Избыточная энергия в упругодеформированных областях может понизиться без нарушения целостности тела, если разрядка остаточных напряжений произойдет путем пластической деформации. Следовательно, чтобы добиться полного или частичного снятия остаточных макронапряжений в изделии, необходимо вызвать в нем пластическое течение. Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями: вследствие пластической деформации в условиях, когда эти напряжения превысят предел текучести; в…

Флуктуации тепловой энергии

Флуктуации тепловой энергии активируют скольжение. С увеличением продолжительности отжига они вовлекают в скольжение менее благоприятно расположенные дислокации, помогают дислокациям преодолевать и обходить препятствия пересечением дислокаций леса и поперечным скольжением. При температурах отжига выше 0,5 Тпл препятствия обходятся дислокациями также переползанием, как и при обычной высокотемпературной ползучести. Остаточные напряжения в изделиях несколько снижаются вследствие ползучести и…