Классификация остаточных напряжений

При любых технологических процессах в металле возникают внутренние (остаточные) напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри изделия без участия внешних нагрузок. В большинстве случаев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями. 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, если горячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение, кроме напряжений, вызванных неоднородной пластической деформацией, в нем возникают термические, а также фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и часто дают весьма сложные эпюры.

Остаточные напряжения (ОН) - это напряжения, связанные с упругими деформациями, существующими в металле после полного прекращения внешних воздействий на металл. Остаточные напряжения уравновешиваются в пределах всего тела (или больших его объемов) и обладают ориентировкой, связанной с геометрическими очертаниями тела и характером его обработки. Они очень чувствительны к внешним воздействиям и участвуют в той или иной мере практически во всех процессах и явлениях, происходящих в металле на макро- и микроуровнях.

Из опытов известно, что работа, затраченная на пластическую деформацию, переходит в тело не полностью, а лишь на 80 – 90%. Остальные 10 –20 % как раз и остаются в теле в виде энергии остаточных напряжений.

Было предложено несколько видов классификации остаточных напряжений. Наиболее широко используется классификация Н.Н.Давиденкова. Классификации Е.Орована и Мак-Грегора оказались менее удобными.

По классификации Н.Н.Давиденкова существуют остаточные напряжения трех родов. Они различаются объемами, в которых эти напряжения уравновешиваются.

Напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей, называют также зональными или напряжениями 1 рода. Причинами их возникновения являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела.

Напряжения II рода («микронапряжения») уравновешиваются в объемах единичных кристаллов и частей кристаллитов, находящихся между действующими плоскостями скольжения (между линиями и полосами скольжения).

Первоначальный термин «напряжения III рода», которые уравновешиваются в пределах небольших групп атомов, постепенно заменен термином «статические искажения кристаллической решетки», что наиболее точно соответствует существу описываемого явления: это искажения решетки, обусловленные полями деформаций, связанными как с точечными дефектами, так и с дислокациями.

На основе классификации Н.Н. Давиденкова проведена систематизация путей появления искажений разного рода, а также изучен характер влияния на свойства материалов этих разных по происхождению и по природе, но взаимосвязанных искажений кристаллической решетки.

Тело, в котором действуют остаточные напряжения, можно рассматривать как находящееся под воздействием длительной нагрузки. В результате ее действия с течением времени возможна пластическая деформация и, следовательно, коробление и изменение размеров тела, а также растрескивание. Остаточные напряжения могут явиться следствием не только пластической обработки тела, но и неравномерного нагрева, охлаждения, закалки, фазовых превращений и т.п.

Остаточные напряжения можно свести к минимуму подбором соответствующего режима пластической обработки, последующей термообработкой и механическими воздействиями (обкатка и т.п.), характер которых зависит от конкретных условий обработки.

Например, при прокатке на поверхностях полосы и валков существуют участки застоя, торможения и скольжения. Характер перемещений частиц металла относительно поверхности валков на участках застоя и торможения идентичен. Отличие заключается лишь в том, что на участке застоя смещения столь малы, что соизмеримы по величине с упругими деформациями. Они изменяются от нуля в нейтральном сечении до некоторого максимума на границах зон застоя и торможения, продолжая, однако, в зоне торможения оставаться малыми.