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

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…

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…