Остаточные напряжения

В металле с остаточными напряжениями существуют области упругих деформаций разного знака. Упругому, т. е. обратимому, снятию макронапряжений мешают межатомные силы, связывающие разнородно деформированные участки металла в единое твердое тело. Если разрезать изделие или срезать (а также стравить) с него поверхностный слой, то становится возможным упругое снятие макронапряжений.

Например, если срезать или стравить сжатый остаточными напряжениями поверхностный слой, то растянутая остаточными напряжениями внутренняя область тела, освободившись от сдерживающего влияния поверхностных слоев, сможет теперь упруго сжаться.

На измерении упругих деформаций, возникающих при разрезке изделия, снятии или стравливании с него слоев, основаны механические методы определения величины и знака остаточных напряжений (напряжения вычисляют по деформациям).

Остаточные напряжения могут вызвать искажение формы (коробление и поводку) и изменение размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе.

Особенно частые коробления и поводки возникают при обработке резанием, так как удаление слоя металла нарушает равновесие остаточных напряжений. Например, если от полосы на рисунке Возникновение остаточных напряжений отрезать с одной стороны слой, в котором действуют растягивающие напряжения, то полоса выгнется в плоскости чертежа из-за нарушения равновесия растягивающих и сжимающих остаточных напряжений.

Самопроизвольные изменения размеров и коробление при хранении деталей происходит из-за постепенного перераспределения остаточных напряжений при их релаксации. Иногда поэтому после сборки станков появляются недопустимые зазоры в сопряженных деталях, ранее точно пригнанных одна к другой.

Создавая контролируемые остаточные напряжения, которые вычитаются из рабочих напряжений, можно повысить эксплуатационные свойства металла. Чаще всего в поверхностном слое намеренно создают сжимающие остаточные напряжения, которые уменьшают опасные растягивающие рабочие напряжения. С этой целью применяют дробеструйный наклеп, азотирование и другие виды поверхностной обработки металлов.

В подавляющем большинстве случаев величина, знак и распределение остаточных напряжений по объему изделия неизвестны. Для определения этих характеристик требуется нарушить целостность изделия.

Рентгенографический метод позволяет по относительному изменению межплоскостного расстояния оценить остаточные макронапряжения только в поверхностном слое. Поэтому всегда можно ожидать, что неконтролируемые остаточные напряжения от обработки давлением, литейные, сварочные, закалочные и другие остаточные напряжения могут ухудшить свойства металла и оказаться опасными при его обработке и эксплуатации изделия. В общем случае желательно полностью или хотя бы частично снять неконтролируемые остаточные напряжения.

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

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…

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…