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