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:

  1. вследствие пластической деформации в условиях, когда эти напряжения превысят предел текучести;
  2. в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.

Рассмотрим первый путь. Остаточные напряжения, являющиеся упругими, по закону Гука пропорциональны модулю упругости и величине упругой деформации. С ростом температуры модуль упругости слабо снижается и соответственно слабо уменьшаются остаточные напряжения. Предел текучести также падает с ростом температуры, причем значительно более интенсивно, чем остаточные напряжения.


Схема влияния температуры

Схема влияния температуры

Схема влияния температуры на остаточные напряжения
(1) и предел текучести (2).


Выше некоторой температуры предел текучести становится ниже остаточных напряжений и происходит сдвиговая пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения уменьшаются до значения предела текучести.

Нижняя температурная граница уменьшения остаточных напряжений вследствие сдвиговой деформации — не очень четкая, так как в разных участках тела действуют разнообразные по величине остаточные касательные напряжения.

При напряжениях выше предела текучести генерируется множество дислокаций, скольжение которых приводит к очень быстрой пластической деформации. Можно считать, что степень разрядки остаточных напряжений по такому механизму определяется температурой отжига, а не его продолжительностью.

Рассмотрим второй путь уменьшения остаточных напряжений, когда их величина меньше предела текучести. Если в какой-то момент испытания образца на растяжение перестать увеличивать деформацию и оставить образец в захватах разрывной машины под нагрузкой, то, как известно, в образце будет происходить релаксация напряжений. Напряжения в этом опыте падают вначале быстро, затем все медленнее и медленнее, и, наконец, достигается некоторый практически неизменный уровень напряжений.

Общая деформация образца складывается из упругой и пластической:

Формула

Длина образца, находящегося в захватах машины, остается неизменной. Напряжения в нем снижаются потому, что упругая деформация уменьшается при одновременном и равном увеличении пластической деформации, развивающейся в условиях ползучести. Релаксация при заданной общей деформации развивается путем ползучести при падающем напряжении.

В детали, в которой остаточные напряжения меньше предела текучести, упругая деформация также может с течением времени переходить в пластическую.

В области температур, где остаточные напряжения меньше предела текучести (ниже t1), ползучесть является единственно возможным механизмом их уменьшения. При напряжениях меньше предела текучести не происходит массового размножения и массового скольжения дислокаций.

Медленное пластическое течение осуществляется перемещением ограниченного числа легкоподвижных дислокаций. Встречаясь с препятствиями (отдельными сидячими дислокациями, дислокационными сплетениями, дисперсными частицами, границами зерен), скользящие дислокации тормозятся. Исчерпание легкоподвижных дислокаций приводит к затуханию ползучести, а уменьшение остаточных напряжений еще более усиливает это затухание.

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

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…

Возникновение и роль остаточных напряжений

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…