Остаточные напряжения в заготовке

Часто в металлической заготовке может иметься внутреннее напряжение, не имеющее внешних сил. Образуется оно при изготовлении заготовки из-за неравномерного охлаждения, например, при ковке, литье и в местах сварки. Остаточное напряжение может вызвать нарушение формы заготовки, из-за чего происходит быстрый износ или деформация детали. Во избежание подобного, в данной статье описаны способы устранения внутреннего напряжения.

Как правило, в заготовке, которая поступает на металлорежущий станок, обычно имеются внутренние напряжения, сохраняющиеся при отсутствии внешних сил, именно поэтому они называются – остаточными.

Остаточные напряжения различаются на:

• напряжения первого рода, которые охватывают наибольшую часть заготовки;
• напряжения второго рода, которые образуются в микроскопических объемах – кристаллах, зернах;
• напряжения третьего рода, которые характерны для ячеек кристаллической решетки.

Во время механической обработки, когда в виде припуска с заготовки удаляется часть металла, совершается перераспределение внутренних остаточных напряжений и их временное равновесие нарушается. При этом основную роль здесь играют именно напряжения первого рода. Характер и величина распределения остаточных напряжений напрямую зависят от конфигурации заготовки, соотношения размеров отдельных элементов, ее габаритных размеров, способа получения исходной заготовки, а также других немаловажных факторов.

Большие остаточные напряжения появляются в исходных заготовках, которые получаются путем литья, ковки, штамповки, из-за неравномерного охлаждения различных элементов заготовки. В сварно-литых, сварно-штампованных или просто сварных конструкциях наибольшие внутренние напряжения зарождаются именно в местах сварки, где непосредственно из-за местного охлаждения и нагрева происходят неоднородные объемные изменения. При этом диффузионные процессы и структурные превращения металла при сварке также способствуют возникновению остаточных напряжений разного рода.

В особо неблагоприятных моментах остаточные напряжения способны вызвать не только существенные нарушения формы заготовки (например, коробление, изогнутость и др.), но и всевозможные трещины.

Срезание поверхностных слоев с металлической заготовки освобождает ранее уравновешенные силы, поэтому остаточные напряжения деформируют саму заготовку. Однако и сам процесс резания тоже служит источником остаточных напряжений, возникающих как результат пластической деформации верхнего слоя поверхности и нагрева зоны резания.

Обычно перераспределение внутренних напряжений совершается не сразу, а постепенно, также постепенно происходит и изменение формы заготовки или готовой детали. На самом деле в практике случаются моменты, когда исходная заготовка, которая получила большие остаточные напряжения, проходит непосредственно именно черновую обработку. Таким образом, деформация заготовки и внутренние напряжения перераспределяются частично. При этом получившиеся искажения формы устраняются, как правило, при чистовой обработке. Готовая деталь, (если конечно она годная) ставится на машину, а через кое-какое время уже при эксплуатации быстро изнашивается, причина этого одна — деформация данной детали, которая произошла после полной ее обработки.

Чтобы не случались такие казусы именно поэтому – устранению внутренних напряжений – необходимо уделять самое основательное внимание. Простейший путь устранения внутренних напряжений — это разделить обработку резанием на несколько этапов, то есть:

• на первом этапе выполняется черновая обработка, путем удаления наибольшей части припуска с поверхностей заготовки;
• на втором этапе заготовка передается на получистовую обработку;
• на третьем этапе изготовление детали заканчивается путем чистовой обработки.

Так как зачастую заготовки обрабатывают партиями: черновая, получистовая и чистовая обработки производятся на разных станках, а в некоторых случаях и в разных цехах, поэтому между этими обработками проходит определенное время. В основном именно за это время и происходит перераспределение внутренних напряжений и соответственно деформация заготовок. Чем больше временной промежуток между обработками (черновой и чистовой), тем естественно и меньше опасность искажения форм готовых деталей.

Естественное старение

Длительное выдерживание заготовки для снятия остаточных напряжений называется – «естественным старением». Сам процесс естественного старения весьма и весьма медленный. Достаточно уточнить, что самая основная часть остаточных напряжений именно в сложных отливках при естественном старении снимается в течение 2-3х месяцев. Однако следует учесть, что даже после указанного срока еще в течение нескольких месяцев оставшиеся напряжения способны воздействовать на форму заготовки.

Многомесячное естественное старение крайне «не» экономично — потому как чрезвычайно затягивается весь производственный цикл, стремительно возрастает объем неготового производства, значительно снижаются оборотные средства предприятия, поэтому естественное старение главным образом применяют исключительно для особо ответственных и дорогостоящих отливок, к примеру, заготовок станин прецизионных станков.

Для того чтобы ускорить процесс перераспределения, а также снятия остаточных напряжений, очень часто старение происходит на открытом воздухе (то есть, резкая смена температуры «дня и ночи» существенно способствует интенсификации процесса старения).

Снятие остаточного напряжения

Для средних или достаточно мелких отливок самым эффективным способом снятия непосредственно внутренних напряжений является так сказать искусственное старение, то есть специальный процесс термической обработки. Отливка помещается в печь доведенную до температуры в 500-600оС, и выдерживается в ней в течение 1-6 часов (чем крупнее отливка, тем соответственно и больше выдержка). Далее печь вместе с отливкой медленно охлаждают таким образом, чтобы абсолютно все части отливки (толстые и тонкие) охлаждались – равномерно. При этом скорость охлаждения должна составлять 25-75 градусов в час. Когда температура отливки снизится примерно до 200-250оС, она вынимается из печи и на воздухе окончательно охлаждается.

Для снятия напряжений, которые были получены при ковке, литье и штамповке, также применяют и отжиг, то есть нагрев до температуры в 400-600оС с выдержкой в 2,5 минуты на 1 мм толщины сечения заготовки, для сварных же заготовок высокотемпературный отпуск выполняется при нагреве до 600—650оС. Также отжигают и заготовки, получаемые из проката стали.

Вследствие значительных пластических деформаций при прокатке непосредственно в поверхностных слоях заготовок формируются существенные растягивающие, а вот во внутренних слоях наоборот сжимающие напряжения. Если же с такой заготовки снимается неравномерный припуск, то, безусловно, из-за перераспределения внутренних напряжений ее форма может измениться. Именно поэтому, к примеру, после фрезерования на валах длинных шпоночных канавок, изготовляемых из проката, могут случаться искривления валов. Для исправления этой кривизны заготовок валов, стержней, длинных планок, осей и прочих подобных элементов правят их исключительно в холодном состоянии. В таком процессе правки происходит упругая, и затем пластическая деформация материала.

Тщательная правка позволяет практически полностью устранить кривизну заготовки, которая вызвана непосредственно действием остаточных напряжений. Однако во время правки в заготовках появляются новые напряжения, что при дальнейшей чистовой обработке (хуже — в работающей машине) данные остаточные напряжения способны достаточно легко вызвать новые искажения формы. Именно поэтому для ответственных деталей применять правку крайне – нежелательно.

 

Напряжение остаточное, причина возникновени — Энциклопедия по машиностроению XXL

Остаточные напряжения — это сохраняющиеся во времени внутренние напряжения, основной причиной возникновения которых является неоднородность деформации в разных точках тела вследствие неравномерности температур или пластических деформаций.  [c.27]

Уменьшение внутренних растягивающих напряжений. При анализе причин возникновения КР отмечалось, что необходимым условием для развития процесса КР является действие растягивающих напряжений. По, своему происхождению эти напряжения могут быть различными внешними (активными), проявляющимися в результате приложенной нагрузки или давления и т. п. термическими (из-за наличия градиента температур в металле) или внутренними (остаточными), которые возникают в результате различных технологических операций при изготовлении деталей (термической обработки, сварки, деформаций и т. д.). Вследствие неизбежной неравномерности распределения напряжений различного рода по поверхности металла, в отдельных местах ее создаются наиболее опасные участки с высокими растягивающими напряжениями. Доказано, что даже в отсутствие активных внешних нагрузок на таких участках может быстро развиваться КР.  

[c.74]

К основным причинам возникновения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей, обрабатываемых резанием, относятся пластическая деформация поверхностного слоя, связанная с увеличением удельного объема наклепанного поверхностного слоя металла неравномерная пластическая деформация   [c.385]

Одной из наиболее распространенных причин возникновения остаточных напряжений являются неравномерные температурные воздействия на смежные объемы материала. В общем случае нагрева какой-либо детали, если температурное поле обладает градиентом, возникают неравномерные объемные изменения отдельных участков детали. Это обстоятельство приводит к возникновению так называемых временных температурных напряжений, которые впоследствии при определенных условиях могут превращаться в остаточные напряжения.  [c.210]

Причиной возникновения структурных остаточных напряжений (при термической обработке, сварке и других термических воздействиях) является образование в смежных участках материала или детали структур, отличающихся параметром кристаллической решетки и по удельному объему. Напряжения этого вида не  

[c.210]

К основным причинам возникновения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей, обрабатываемых резанием, относятся  [c.404]

Металл, деформируемый в холодном состоянии, упрочняется. Характер кривых упрочения некоторых металлов показан на рис. 7. В процессе деформирования металла в холодном состоянии возникают остаточные внутренние напряжения, причины возникновения которых связаны с кристаллической структурой металлов. Так как в реальных условиях кристаллы различно ориентированы относительно деформирующей нагрузки, то в материале детали уже в зоне пластического деформирования наряду с пластическими деформациями действуют и упру-464  [c.464]

Анализ свойств сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей, выполненных сваркой плавлением, показал неоднородность структуры и свойств по зонам сварного соединения. В ЗТВ возникают нежелательные крупнозернистые структуры, высокие остаточные макро- и микронапряжения. Последствием структурных изменений является снижение механических и эксплуатационных свойств сварных соединений. Остаточные напряжения могут стать причинами возникновения трещин, снижают сопротивляемость хрупким разрушениям, способствуют ускорению коррозионных процессов по сравнению с основным металлом.  

[c.6]

Влияние напряженного состояния детали при фреттинге для некоторых различных случаев [16] показано на рис. 14.5, включая случаи действия растягивающего и сжимающего статических средних напряжений цикла при фреттинге. Из рассмотрения приведенных на рис. 14.5 результатов следует интересный вывод, что фреттинг в условиях действия сжимающего среднего напряжения, либо статического, либо циклического, сильно снижает усталостные характеристики материала. Это на первый взгляд не согласуется с тем, что сжимающие напряжения благоприятно сказываются при усталостном нагружении. Однако установлено [17] (рис. 14.6), что сжимающие напряжения при фреттинге, значения которых приведены на рис. 14.5, в действительности приводят к возникновению локальных остаточных растягивающих напряжений в зоне фреттинга. Аналогично растягивающие напряжения при фреттинге, значения которых приведены на рис. 14.5, служат причиной возникновения локальных остаточных напряжений сжатия в зоне, подвергнутой фреттингу. Эти локальные напряжения сжатия впоследствии благотворно сказываются на минимизации повреждений при фреттинг-усталости.  [c.483]

На рис. 102 показаны трещины в образце из стеклокристаллического материала марки СО-1. Причиной возникновения трещин были остаточные напряжения.  [c.124]

Неравномерное охлаждение стекла с высокой температуры является причиной возникновения значительных остаточных напряжений в изделиях. С целью повышения качества изделий проводят отжиг для уменьшения этих напряжений.  [c.319]

При длительном статическом нагружении стали в коррозионных средах наклеп и остаточные напряжения растяжения являются одной из причин возникновения коррозионной статической усталости Как известно, коррозионное растрескивание может происходить и без действия внешнего нагружения на стальные детали, однако при обязательном условии наличия остаточных растягивающих напряжений и наклепа.  [c.139]

Основной причиной возникновения растягивающих остаточных напряжений вблизи твердого слоя являются тепловые объемные пластические деформации в процессе нагрева и охлаждения.  [c.287]

Причиной возникновения остаточных напряжений является неравномерная пластическая деформация, возникающая в результате неодинакового теплового расширения при больших градиентах температур в связи с быстрым нагревом или охлаждением изделий, неодновременных фазовых превращений и других процессов, связанных с изменением объема — при закалке, ковке, сварке, сборке конструкций и т. д.  [c.200]

Основными причинами возникновения остаточных или, так называемых, собственных напряжений являются неравномерность распределения температуры в изделии при сварке и жесткость этого изделия, которая препятствует свободному развитию температурных деформаций.  [c.300]

Основными причинами возникновения сварочных деформаций и остаточных напряжений являются неравномерность распределения температуры в изделиях при сварке. Шов и околошовная зона испытывают пластические и упруго-пластические деформации сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. Их величина зависит от ширины зоны пластических деформаций, а ширина зоны в свою очередь зависит от погонной энергии, жесткости конструкции и других причин.  [c.206]

Важно отметить, что при контактном взаимодействии твердых тел характерна геометрическая локализация (непосредственно под площадкой контакта и вблизи нее) всех видов деформаций (упругой и пластической) и разрушения (зарождения и развития трещин). В таких условиях даже материалы, которые обычно являются хрупкими, проявляют пластические свойства в локальных зонах. Кроме того, пластическое деформирование приповерхностного слоя материала приводит к образованию поля остаточных напряжений, растягивающие компоненты которого оказываются причиной возникновения определенной системы трещин.  [c.625]

При сварке обычно имеют место неравномерность нагрева и быстрое охлаждение, что является основной причиной возникновения как внутренних напряжений, так и остаточных деформаций в сварных конструкциях.  [c.466]

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ И ДЕФОРМАЦИЙ  [c.292]

Если внутренние напряжения в отдельных зонах превосходят называемый пределом текучести уровень, когда начинаются пластические деформации, то после устранения причины, вызвавшей эти изменения, и из-за неравномерности пластических деформаций в объеме тела останутся напряжения, но изменится характер их распределения. В одних зонах всегда будут напряжения растяжения, в других — сжатия. Уравновешивая друг друга, эти остаточные напряжения приводят к возникновению остаточных деформаций.  [c.238]

Природа и причины возникновения остаточных напряжений. Остаточным (или собственными) называются напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения полностью уравновешиваются, и их действие на деталь с внешней стороны ничем не проявляется. С нарушением этого равновесия, вызываемого удалением части материала в виде припуска, разрезкой, обработкой без снятия стружки, термическим или химическим воздействием, деталь начинает деформироваться до тех пор, пока перегруппировка напряжений не приведет к новому равновесному состоянию.  [c.124]

Исследования причин возникновения остаточных напряжений и их проявление в зависимости от конструкции детали, несмотря на внимание к этому вопросу, еще не позволяют предложить общие рекомендации по учету этого важного фактора при конструировании (эти исследования проводились пока на образцах простых форм — брусках, дисках и т. д.) они дают основание лишь для качественного анализа вопроса, который ниже рассматривается.  [c.265]

Основные причины возникновения остаточных напряжений при механической обработке неравномерная пластическая деформация поверхностного слоя, связанная с увеличением объема деформированного металла локализованный нагрев тонких поверхностных слоев фазовые превращения слоев металла, приводящие к образованию различных структур, обладающих неодинаковым удельным объемом и создающих остаточные напряжения разных знаков и величин.  [c.484]

Структурные превращения как причина возникновения остаточных напряжений. Нагрев металла при сварке и наплавке вызывает не только температурные объемные изменения, но и структурные превращения. Эти превращения также приводят к объемным изменениям и возникновению в ряде случаев остаточных (структурных) напряжений.  [c.354]

Причины возникновения остаточных напряжений и деформаций  [c.351]

По причинам возникновения напряжения подразделяют на временные- обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние — остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки. Остаточные напряжения могут быть термическими, как следствие неоднородности расширения или сжатия поверхностных и внутренних слоев материала из-за неравномерности нагрева или охлаждения. Фазовые остаточные напряжения возникают в результате неоднородной деформации при фазовых превращениях.  [c.141]

Причинами возникновения остаточных напряжений в сварных конструкциях являются  [c.226]

Поясните причину возникновения в сварных узлах из разнородных сталей высоких остаточных напряжений, не снимаемых термообработкой после сварки. Каким образом можно уменьшить величину этих напряжений  [c.414]

Причины возникновения остаточных напряжений и деформаций. Основной причиной возникновения внутренних напряжений в металле является изменение температурного состояния этого металла, объемные изменения и отсутствие свободного перемещения нагреваемых участков. Величина и характер этих напряжений, в свою очередь, связаны с величиной температуры нагрева металла, скоростью и равномерностью нагрева и охлаждения, возможностью свободного увеличения или уменьшения геометрических размеров термически обрабатываемого изделия, структурными превращениями и физическими свойствами металла.  [c.29]

Между тем в огромном большинстве случаев сварные конструкции работают в эксплуатационных условиях хорошо, трещины не образуются. Следовательно, не собственные остаточные напряжения являются непосредственной причиной возникновения трещин в условиях эксплуатации сварных изделий. Внутренние силы (остаточные напряжения) в сварной конструкции взаимно уравновешены. Как вытекает из приведенных соображений (см. пункт 4 этой главы), образование пластических деформаций является одним из основных условий высоких механических свойств сварных соединений, имеющих собственные остаточные напряжения.  [c.213]

В 1974 г. произошло разрушение трубопровода 0114 мм обвязки одной из скважин УКПГ-б ОНГКМ. В области фланца образовалась сквозная трещина, находившаяся на расстоянии 15-23 мм от оси сварного шва. Структура металла фланца в зоне образования и развития трещины состояла из грубопластинчатого перлита. Методами электронной фрактографии установлено, что металл фланца был сильно загрязнен неметаллическими включениями, по которым распространялось разрушение, имевшее преимущественно хрупкий характер. Причиной возникновения этого повреждения явилось наличие в металле фланца большого количества неметаллических включений типа оксисульфидов и непроваров глубиной до 2 мм общей протяженностью около 50 мм в корне сварного шва. Кроме того, отсутствие термообработки сварного соединения способствовало возникновению в околошовной зоне структуры троостита, не обладающей достаточной стойкостью к сероводородному растрескиванию, и высокого уровня остаточных напряжений.  [c.27]

Известно несколько механизмов, определяющих причины возникновения закрытия трещины или неполного ее смыкания при снятии нагрузки [27, 28]. Все они в той или иной мере указывают на возникновение смыкания берегов трещины из-за наличия остаточных сжимающих напряжений перед вершиной трещины, пластических сдвигов в вершине трещины и пр. (рис. 3.15). Применительно к металлам, в которых у поверхности образца или детали выявлен зигзагообразный характер распространения трещины, неполное смтлкапие ее берегов объясняют возникновением контакта по элементам рельефа формируемого развитого излома. Перемещение локальных участков поверх-  [c.150]

В процессе изготовления волокнистых композитов в компонентах и на границе раздела неизбежно возникают остаточные микронапряжения. Возникновение остаточных микронапряжений обусловлено двумя основными причинами (1) различием в коэффициентах термического расширения компонентов и (2) повьппен-ной температурой, необходимой для отверждения композита. Для исследования остаточных микронапряжений развиты и экспериментальные, и теоретические методы [10]. В настоящем разделе мы будем интересоваться величиной этих напряжений в связи с их возможным влиянием как на свойства матрицы в композите, так и на истинное напряженное состояние, вызванное приложенной механической нагрузкой.  [c.156]

Одно из важнейщих явлений, осложняющих процесс формирования отливки,— это усадка металлов и сплавов при их охлаждении. На различных этапах процесса она проявляется по-разному и, как правило, приводит к образованию различных дефектов отливок. При затвердевании усадка — причина появления усадочной рыхлоты и пористости, а также образования горячих трещин. При охлаждении затвердевшей отливки усадка — причина возникновения остаточных напряжений, которые вызывают коробление отливок и, в ряде случаев, образование холодных трещин.  [c.166]

Однако введение механической обработки не решает проблему эффективного использования материалов. Не говоря з же об увеличении затрат по изготовлению детали, механическая обработка часто усугубляет потерю прочности материала вследствие возникновения новых микро- и макротрещин, вырывов и др. Различный вид нагружения при точении, резании, фрезеровании, шлифовании и пр. обусловливает изменение текстуры, деформацию и степень проявления пластичности и хрупкости материала. Наряду с изменением физико-механических свойств поверхностного слоя металла наблюдается возникновение остаточных растягивающих напряжений. Механизм возникновения этих дефектов и их влияние на свойства деталей достаточно полно освещены в работах М. О. Якобсона, С. В. Серенсена, Г. В. Карпенко, Н. Ф. Сидорова, А. Д. Манасевича и других специалистов. Причинами возникновения остаточных напряжений являются неравномерный локальный нагрев поверхностных слоев металла и его неоднородная пластическая деформация. Их величина и знак зависят от физико-механических свойств обрабатываемого металла, теплового и силового воздействия  [c.7]

В этом случае неравномерная по сечению пластическая деформация является причиной возникновения остаточных напряжений. Поверхностные пластически деформированные слои стремятся сохранить остаточное увеличение размеров. Этому препятствуют недеформированные внутренние слои. Поэтому наружные слои сжимаются, а внутренние слои растягиваются. Поскольку наружный сжатый слой обычно имеет малую толщину, напряжения сжатия в нем значительно превыша от растягивающие напряжения во внутренних слоях.  [c.274]

Остаточная деформация приводит к изменению размеров и конфигурации детали. Например, у такой сложной детали, как блок цилиндров двигателя, изменяется положение осей посадочных отверстий под гильзы, под вкладыши коренных подшипников коленчатого вала, а также появляется коробление и нарушается положение об-р отанных поверхностей относительно технологических баз. Аналогичное явление наблюдается у коленчатых валов, которые при эксплуатации изменяют форму из-за деформации щек, приобретая прогиб и изменяя взаимное расположение шатунных шеек. Подшипники скольжения, шатуны и поршневые кольца при работе также приобретают остаточную деформацию, что приводит к значительным искажениям их формы и понижению долговечности работы соответствующего узла. Во всех этих случаях причиной возникновения остаточной деформации является пониженное сопротивление материала действию контактных напряжений и низкий предел его прочности. Поэтому для повышения дблгойечносги деталей автомобиля, работающих в аналогичных усло- виях, необходимо пр возможности увеличивать предел прочности й соответственно твердость материала.  [c.12]

При процессах переработки термопластов происходит ориентация макромолекул, причем прочность материала в направлении ориентации возрастает, а в поперечном направлении уменьшается. При получении пленок и тонкостенных изделий это явление играет пслэжительную роль, во всех остальных случаях оно выг- вает структурную неоднородность и служит причиной возникновения остаточных напряжений. Различие по сечению изделия в скоростях охлаждения, в степени кристаллизации, полноте протекания релаксационных процессов для термопластов и степени отверждения для реактопластов приводит также к структурной неоднородности и появлению дополнительных остаточных напряжений в изделиях. Для снижения остаточных напряжений применяют термическую обработку изделий, формирование структуры при переработке и другие технологические приемы.  [c.463]

Ориентационные остаточные напряжения в значительной степени зависят от конструкции детали, количества и расположения мест впуска расплава в форму или общего направления движения материала. Рис. VIII. 3 хорощо иллюстрируёт это положение. Первой причиной возникновения ориентационных напряжений является течение материала по одному или двум направлениям — (одно- или двумерное течение). При этом в направлении потока за счет трения расплава о стенки металлической формы, а также от внутреннего трения между слоями возникает разность скоростей потока по сечению. Напряжения сдвига вызывают деформацию макромолекул и их ориентацию, которая фиксируется при застывании расплава. Если происходит двумерное течение, поток расплава расширяется перпендикулярно направлению его движения. Пример такого течения —. заполнение формы диска от литника, расположенного по центру. Фронт потока в любой момент заполнения формы представляет собой дугу с центром у литника. Расширение расплава происходит неравномерно по сечению. После смачивания стенки формы расплав около нее начинает охлаждаться и застывать, в то время как новые порции расплава будут передвигаться по застывшему слою и одновременно расширяться. Это приводит к возникновению сдвиговых напряжений в направлении, перпендикулярном основному направлению течения потока. Возникает двухосная ориен-тация материала в теле детали, причем доминирующей оказывается продольная ориентация. Следовательно, второй причиной, обусловливающей остаточный характер ориентационных напряжений, является быстрое охлаждение (при литье под давлением, экструзии) и атвердёвание материала после формования.  [c.266]

Остаточные напряжения по толщине осадка распределяются неравномерно и сосредоточиваются в тонком поверхностном слое, величина которого достигает 0,04 мм при толщине осадка 0,15 мм, В поверхностном слое остаточные напряжения являются более высокими по сравнению со средней их величиной. Причиной возникновения остаточ1гых напряжений в электролитических осадках является уменьшение объема осадка, происходящее в процессе кристаллизации, и связанное с ним искажение атомно-кристаллической решетки. В хромовых осадках при первичной кристаллизации происходит образование гексагонального хрома, представляющего метастабильную фазу внедрения водорода в хром. При распаде гексагонального хрома и образовании кубического хрома происходит уменьшение объема осадка. Отрицательное влияние остаточных напряжений на усталостную прочность видно из следующего.  [c.291]

Под действием нагрузки в области низких температур фторопласт-4 течет. Каждой температуре и нагрузке соответствуют определенные величины остаточной деформации. Причиной возникновения такого псевдотечения фторопласта-4 является процесс рекристаллизации, начинающийся в образце при достижении определенного напряжения, которое можно назвать пределом псевдотекучести. С повышением температуры предел псевдотекучести резко снижается. Фторопласт-4 имеет совершенную пластическую память или способность к восстановлению первоначальной формы при нагревании выше той температуры, при которой производилось деформирование. Это свойство необходимо учитывать при технологических процессах изготовления из него изделий деформированием при повышенных температурах (температура деформирования должна быть выше рабочих температур).  [c.200]

Внутренние напряжения могут иметь положительное и отрицательное значение. Еще Н. В. Калакуцкий указывал, что внутренние напряжения полезны, когда их направление противоположно направлению напряжений, возникающих при эксплуатации деталей. С этой целью, например, применяют автофретаж [2]. Наличие сжимающих остаточных напряжений на поверхности детали повышает предел выносливости [3]. Наоборот, растягивающие напряжения на поверхности снижают сопротивление деталей переменной нагрузке. Раатягиваюп1ие внутренние напряжения также являются причиной возникновения трещин в стали при термической обработке.  [c.805]

Во-первых, при термической обработке, как и при сварке, локальный нагрев вызывает возникновение остаточных напряжений, уравновешивающихся между нагревавшимися и ненагре-вавшимися зонами. Если локальной термической обработкой является высокий отпуск, то причиной возникновения остаточных напряжений являются только тепловые изменения объемов (см. рис. 8.5, г), если термической обработкой является нормализация, то остаточные напряжения будут определяться суммарным влиянием тепловых изменений объемов и структурных превращений. Для снижения уровня остаточных напряжений надо снижать скорость охлаждения после нагрева.  [c.165]

---

Остаточные напряжения в заготовке после обработки

 

В заготовке, поступающей на металлорежущий станок, имеются внутренние напряжения, которые сохраняются при отсутствии внешних сил и потому называются остаточными.

Различают остаточные напряжения первого рода, охватывающие большую часть заготовки; напряжения второго рода, образующиеся в микроскопических объемах, — зернах, кристаллах; напряжения третьего рода, характерные для ячеек кристаллической решетки. При механической обработке, когда с заготовки в виде припуска удаляют часть металла, происходит перераспределение внутренних остаточных напряжений, их временное равновесие нарушается. Основную роль здесь играют напряжения первого рода. Величина и характер распределения остаточных напряжений зависят от конфигурации заготовки, ее габаритных размеров и соотношения размеров отдельных элементов, способа получения исходной заготовки и других факторов. Большие остаточные напряжения возникают в исходных заготовках, получаемых литьем, ковкой, штамповкой, из-за неравномерного охлаждения разных элементов заготовки. В сварных, сварно-литых, сварно-штампованных конструкциях наибольшие внутренние напряжения возникают в местах сварки, где из-за местного нагрева и охлаждения происходят неоднородные объемные изменения. Структурные’ превращения металла и диффузионные процессы при сварке также способствуют появлению остаточных напряжений различного рода. В особо неблагоприятных случаях остаточные напряжения могут вызвать не только значительное нарушение формы заготовки — коробление, изогнутость и другое, но и трещины. Срезание поверхностных слоев металла освобождает ранее уравновешенные силы, и остаточные напряжения деформируют заготовку.

Но и сам процесс резания также служит источником остаточных напряжений, которые возникают как результат пластической деформации поверхностного слоя и нагрева зоны резания. Перераспределение внутренних напряжений происходит не сразу, а постепенно, и также постепенно происходит изменение формы заготовки и готовой детали. В практике бывают случаи, когда исходная заготовка, получившая большие остаточные напряжения, проходит черновую обработку. Частично перераспределяются внутренние напряжения и деформация заготовки. Получившиеся при этом искажения формы устраняют при чистовой обработке. Готовую деталь, если она годная, ставят на машину, а через некоторое время уже при эксплуатации выясняется, что деталь быстро изнашивается, причина этого — ее деформация, которая произошла после того, как деталь полностью обработали. Вот почему необходимо уделять самое серьезное внимание устранению внутренних напряжений. Самый простой путь устранения внутренних напряжений — разделение обработки резанием на несколько этапов. На первом этапе выполняют черновую обработку, удаляя наибольшую часть припуска с поверхностей заготовки. Затем передают заготовку на получистовую обработку и заканчивают изготовление детали на третьем этапе — чистовой обработке. Так как обычно заготовки обрабатывают партиями, а черновую, получистовую и чистовую обработки ведут на разных станках, а иногда и в разных цехах, то между черновой и получистовой обработками проходит определенное время. За эго время происходит в основном перераспределение внутренних напряжений и деформация заготовки. Чем больше промежуток времени между черновой и чистовой обработками, тем меньше опасность искажения формы готовой детали. Длительное выдерживание (вылеживание) заготовок для снятия остаточных напряжений называют естественным старением. Процесс естественного старения очень медленный.

Достаточно сказать, что основная часть остаточных напряжений в сложных отливках снимается при естественном старении в течение двух-трех месяцев. Но и после этого срока в течение еще нескольких месяцев оставшиеся напряжения могут влиять на форму заготовки. Естественное многомесячное старение не экономично — чрезвычайно затягивается цикл производства, недопустимо возрастает объем незавершенного производства, снижается оборачиваемость оборотных средств, поэтому естественное старение применяют главным образом для особо ответственных отливок, например заготовок станин прецизионных станков. Чтобы ускорить процесс перераспределения н снятия остаточных напряжений, старение часто ведут на открытом воздухе (резкая смена температур дня и ночи способствует интенсификации процесса). Для мелких и средних отливок эффективным способом снятия внутренних напряжений является искусственное старение — специальный процесс термической обработки. Отливку помещают в печь, нагревают до температуры 500-600° С и выдерживают в течение 1-6 ч (чем крупнее отливка, тем больше выдержка). Затем отливку медленно охлаждают вместе с печью таким образом, чтобы все части отливки (тонкие и толстые) охлаждались равномерно.

Скорость охлаждения составляет 25-75 град/ч. Когда температура отливки снизится до 200-250° С, ее вынимают из печи и окончательно охлаждают на воздухе. Для снятия напряжений, полученных при ковке, штамповке и литье, применяют также отжиг — нагрев до температуры 400- 600° С с выдержкой 2,5 мин на 1 мм толщины сечения заготовки, а для сварных заготовок — высокотемпературный отпуск с нагревом до 600-650° С. Отжигают также заготовки, получаемые из проката. Вследствие больших пластических деформаций при прокатке в поверхностных слоях заготовок образуются значительные растягивающие, а во внутренних слоях сжимающие напряжения. Если с такой заготовки снимать неравномерный припуск, то ее форма из-за перераспределения внутренних напряжений может измениться. Поэтому, например, после фрезерования длинных шпоночных канавок на валах, изготовляемых из проката, может происходить искривление вала. Для исправления кривизны заготовок валов, осей, стержней, длинных планок и т. д. их правят в холодном состоянии. В процессе правки происходит упругая, а затем пластическая деформация. Тщательная правка позволяет почти полностью устранить кривизну заготовки, вызванную действием остаточных напряжений. Но при правке в заготовке появляются новые напряжения. При дальнейшей чистовой обработке (а еще хуже — в работающей машине) эти остаточные напряжения могут вызвать новые искажения формы, поэтому для ответственных деталей правку применять нежелательно.

Похожие материалы

Остаточные напряжения металла поверхностного слоя

Причины возникновения остаточных напряжений.Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке заготовок объясняется следующими основными причинами:

1. При воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемого металла в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а, следовательно, обуславливает рост удельного объема, достигающий 0,3-0,8 % удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже.

Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои; в результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях — растягивающие остаточные напряжения.

2. Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементную стружку, вытягивает кристаллические зерна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность (в свою очередь) способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. При этом в направлении, перпендикулярном к направлению скорости резания (т.е. в направлении подачи), тоже протекают упругая и пластическая деформации кристаллических зерен, вызывающие возникновение остаточных напряжений (осевые напряжения), величина и знак которых могут совпадать или не совпадать с величиной и знаком остаточных напряжений, ориентированных в направлении скорости резания.

3. При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки (обработке пластичных металлов при соответствующих условиях резания) после пластического вытягивания кристаллической решетки металла поверхностного слоя в направлении резания происходит ее дополнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т.е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях), что приведет к появлению в направлении скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения.

4. Выделяющаяся в зоне резания теплота мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникают внутренние напряжения в связи с тем, что модуль упругости металла снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения воздействия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся сжатием; этому препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в ниже лежащих слоях — уравновешивающие их напряжения сжатия.

5. При обработке металлов склонных к фазовым превращениям, нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей большой удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема — остаточные напряжения растяжения. Например, если сталь с мартенситной структурой шлифуется засаленным кругом при недостаточном охлаждении или неправильном режиме, то происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структур троостита или сорбита, имеющих меньший удельный объем, чем структура мартенсита. В этих отожженных слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях — уравновешивающие их напряжения сжатия.

Любая из вышеуказанных причин при обработке металлов резанием может преобладать над другими. При этом она будет определять величину и характер распределения остаточных напряжений.

В большинстве случаев изменение видов обработки и режимов резания, приводящих к увеличению влияния силового поля и повышению степени пластический деформации, вызывает рост остаточных напряжений сжатия и снижение растягивающих напряжений за исключением обработки пластичных металлов, когда повышение влияния силового поля может привести к усилению растягивающих и уменьшению сжимающих напряжений.

Изменение режимов резания и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее этим влияние теплового фактора обуславливает превращение сжимающих остаточных напряжений в растягивающие.

Знак и глубина распространения остаточных напряжений, возникающих в результате фазовых превращений металла поверхностного слоя, определяются полнотой протекания фазовых превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и другие механические и физические свойства обрабатываемого металла.

Остаточные напряжения оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Наличие сжимающих напряжений на поверхности может увеличить срок службы деталей в условиях знакопеременного нагружения, а растягивающие напряжения могут быть причиной зарождения микротрещин, снижения коррозионной стойкости поверхности и преждевременного разрушения деталей. При обработке хрупких материалов, мало склонных к пластическому деформированию, остаточные напряжения в большинстве случаев сжимающие. При обработке пластичных материалов остаточные напряжения чаще всего растягивающие. Эпюра изменения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя при обработке пластичных материалов показана на рис.13.9. В очень тонком слое толщиной 0,001-0,004 мм (зона 1) действуют сжимающие напряжения.

 

Рис. 13.9. Эпюра распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя

В зоне 2, протяженность которой зависит от режимов резания и переднего угла инструмента, действуют растягивающие напряжения. Зона 2 в десять и более раз превосходит зону 1, поэтому состояние поверхностного слоя определяется знаком распределения напряжений в зоне 2. В зоне 3, уравновешивающей действие остаточных напряжений первых двух зон, действуют сжимающие напряжения.

При увеличении скорости резания увеличивается абсолютная величина растягивающих напряжений, но глубина их залегания уменьшается. При увеличении подачи увеличивается и величина, и глубина залегания растягивающих остаточных напряжений. Аналогичное влияние на остаточные напряжения оказывает степень затупления инструмента. При переходе от положительных к отрицательным значениям переднего угла резко уменьшается абсолютная величина растягивающих напряжений, но одновременно увеличивается глубина их залегания.

Глава 14

Похожие статьи:

Остаточные напряжения — это… Что такое Остаточные напряжения?



Остаточные напряжения

Residual stress — Остаточные напряжения

(1) Напряжения в теле, находящемся в состоянии покоя или равновесия при постоянной температуре и отсутствии воздействия внешних сил. Часто вызваны формованием или термической обработкой. (2) Внутренние напряжения, не зависящие от внешних сил, появляющиеся после холодной деформации, фазовых превращений, перепадов температуры и т. д. (3) Напряжения, присутствующие в теле, свободном от воздействия внешних сил или перепадов температур. (4) Напряжения, остающиеся в конструкции или ее элементе после термической или механической обработки. Напряжения, прежде всего, возникают после сварки плавлением, когда свариваемый металл охлаждается от температуры солидуса до комнатной.

(Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья»; Санкт-Петербург, 2003 г.)

.

• Residual stress
• Resilience

Смотреть что такое «Остаточные напряжения» в других словарях:

• остаточные напряжения — 1. Напряжения в теле, находящемся в состоянии покоя или равновесия при постоянной температуре и отсутствии воздействия внешних сил. Часто вызваны формованием или термической обработкой. 2. Внутренние напряжения, не зависящие от внешних сил,… …   Справочник технического переводчика

• остаточные напряжения — [residual stresses] напряжения, сохраняющиеся после кристаллизации, различных видов температурно силового воздействия или фазовых превращений и уравновешиваемые внутри изделия (полуфабриката). Различают остаточные напряжения трех родов: 1 го рода …   Энциклопедический словарь по металлургии

• остаточные напряжения — 3.10 остаточные напряжения: Напряжения, возникающие вследствие технологических и эксплуатационных воздействий (тепловых или механических) и остающиеся в конструкции после снятия этих воздействий. Примечание Остаточные напряжения в цельном колесе… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ — сохраняющиеся во времени внутренние напряжения. Основная причина возникновения остаточные напряжения неоднородность деформации в разных точках отливки вследствие неравномерности температур или пластической деформации. Остаточные напряжения могут… …   Металлургический словарь

• остаточные напряжения — ГОСТ Р 54480 2011 см. внутренние напряжения …   Металлургия. Терминология ГОСТ

• внутренние (остаточные) напряжения — 3.9 внутренние (остаточные) напряжения: Напряжения, возникающие в прокате, которые частично могут сохраниться после окончания термической обработки. Максимальный зазор между двумя частями стальной полосы при их соединении по линии реза после… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• паяльные остаточные напряжения — Остаточные напряжения, имеющиеся в паяном соединении после охлаждения. Примечание Под остаточными напряжениями понимают напряжения, остающиеся в паяном соединении после устранения факторов, которые вызвали в нем пластическую деформацию:… …   Справочник технического переводчика

• Паяльные остаточные напряжения — 110. Паяльные остаточные напряжения Остаточные напряжения, имеющиеся в паяном соединении после охлаждения. Примечание. Под остаточными напряжениями понимают напряжения, остающиеся в паяном соединении после устранения факторов, которые вызвали в… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• напряжения при охлаждении — Остаточные напряжения в отливках, обусловленные неоднородным распределением температуры при охлаждении. [http://www.manual steel.ru/eng a.html] Тематики металлургия в целом EN cooling stresses …   Справочник технического переводчика

• Напряжения — [stresses] (Смотри тж. Напряжение): Смотри также: фазовые напряжения термические напряжения пиковые напряжения остаточные напряжения …   Энциклопедический словарь по металлургии

Остаточные напряжения — Отжиг, уменьшающий напряжения — Отжиг первого рода

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

Глава 1. Термины, определения, основные понятия. Факторы, определяющие уровень, знак остаточных напряжений и качество металлоизделий при термической обработке.

Известно, что в процессе изготовления металлоизделий и металлопроката часто возникают ситуации, в которых по разным причинам изделия (особенно длинномерные и с большой разнотолщинностью) подвергаются деформации либо короблению, т.е. изменению размеров и формы. Возможны даже ситуации, когда в металле изделия образуются микротрещины, т.е. деталь разрушается. Эти негативные факторы приводят к необходимости ограничения скорости охлаждения при охлаждении после кристаллизации, нагрева (охлаждения) при термообработке, сварке, что существенно снижает производительность процесса и качество металлоизделий. Задача устранения указанных негативных факторов относится к числу технологических и конструкторских решений, имеющих важное практическое значение, которые должны быть реализованы в технологической цепочке для устранения деформации и\или коробления, а также разрушения изделий.

Для правильного понимания излагаемого в лекции материала целесообразно уточнить смысл таких понятий как «Деформация» и «Коробление».

Деформация – изменение размеров и \ или формы тема, вызванное взаимным смещение его частиц под влиянием механической нагрузки и других воздействий (термических, электрических магнитных и др.).При объемной деформации происходит изменение объема деформируемого тела,а при поверхностной деформации происходит изменение площади (т.е. размеров) какого-либо сечения или участка поверхности этого тела.

Коробление— искажение формы (геометрии) металлоизделия вследствие действия внутренних напряжений, вызываемых неравномерным нагревом или охлаждением, деформацией или фазовым превращением металла.

В практике на металлоизделия действуют внешние и внутренние силы. Внешние силы подразделяют: на объемные (действуют на все материальные точки тела пропорционально их массе – силы тяжести, силы инерции и др., которые при анализе напряженно-деформированного состояния не учитываются) и поверхностные (которые прикладываются к поверхности тела и могут быть распределенными и сосредоточенными). При нахождении тела в равновесии внешние силы уравновешиваются и система (тело) считается жесткой. При приложении к телу внешних сил в нем появляются внутренние силы, которые уравновешивают действие внешних сил.

Предел отношения внутренних сил, действующих на элементарную площадку в рассматриваемой точке тела, к ее площади при неограниченном уменьшении последней называют напряжением. Часто дают такое определение, если на бесконечно малую площадку ds действует дифференциал силы dp, то предел отношения s = dp\ ds называют напряжением.

Напряжения, действующие на изделие, вызывают в металле упругую и пластическую деформацию. Деформация, которая исчезает после снятия внешней нагрузки на изделие, называется упругой, а деформация, которая остается в металле после снятия нагрузки называется пластической.Упругая и пластическая деформация осуществляются без разрушения деформируемого тела. В условиях пластической деформации металла общая (полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, которая исчезает после снятия внешней нагрузки. Момент перехода металла в пластическое состояние характеризуется пределом текучести, а начало разрушения – временным сопротивлением (пределом прочности).

Под релаксацией напряжений в широком смысле понимают совокупность процессов, приводящих к понижению упругой энергии системы независимо от того, протекают они длительно или являются обычной пластической деформацией.

Остаточными напряжениями называют напряжения, которые существуют в замкнутой системе при отсутствии действия внешних сил и моментов. Величина и распределение их таковы, что совокупность всех результирующих сил и моментов, вызванных этими напряжениями, равна нулю и система находится в состоянии механического равновесия. Напряжение является величиной векторной и совпадает с направлением внутренних сил, действующих на элементарную площадку.

Действительное напряженное состояние элемента объема изделия характеризуется группой действующих на него векторов, которые могут быть сведены к трем главным векторам, расположенным в трех взаимно перпендикулярных плоскостях —s_Т —тангенциальные напряжения; s_ОС —осевые;s_R—радиальные (рис.1).

sТ-тангенциальные напряжения; sОС-осевые;sR-радиальные; Рис.1 — Схема направления главных векторов напряжений в элементарном объеме цилиндра (Г.Ф. Головин)

При объемном напряженном состоянии частицу металла представляют в виде элементарного параллелипипеда, на гранях которого действуют напряжения (рис.1). Принято считать, что напряжения, действующие на объект, условно разделены на нормальные (составляющая, вектор которой направлен перпендикулярно плоскости элементарной площадке) и касательные (вектор лежит в плоскости площадки).

Нормальные и касательные напряжения зависят от угла наклона элементарной площадки к сечению, перпендикулярному действию приложенной нагрузки. При угле наклона площадки к сечению a=45⁰ касательные напряжения максимальны, а нормальные напряжения достигают максимума при a=0⁰.

Напряжения растяжения считаются условно положительными, а напряжения сжатия – отрицательными.

Упругую деформацию могут вызвать как нормальные, так и касательные напряжения. Пластическую деформацию вызывают только касательные напряжения, которые достигают некоторой критической величины. Касательные напряжения могут вызывать два основных вида деформации: трансляционное скольжение (скольжение) или двойникование.

Уровень и знак остаточных напряжений зависит от многих факторов. Так, например, при закалке в воде стального изделия из стали с концентрацией углерода 0,3% остаточные напряжения могут достигать 800 МПа (при диаметре прутка s_В ~600-750МПа; s_0,2~400МПа – т.е. остаточные напряжения превышают критический уровень ). Переход при закалке от воды к маслу уменьшает остаточные напряжения в 4-6 раз; от воды к воздуху – до 10 раз; от масла к горячим средам – в 3-4 раза. Напряжения после упрочняющей термической обработки по сравнению с остаточными напряжениями после отливки деталей значительно выше, например, для деталей из силумина разница составляет 5-10 раз. Для того же материала напряжения после закалки превосходят напряжения, возникающие вследствие наклепа после обработки резанием, в 20-25 раз.

При этом следует отметить, что возникновение остаточных напряжений в термически обрабатываемых изделиях определяется главным образом перепадом температур между верхним и центральным слоями металла сплошного изделия и фазовыми переходами, а точнее разностью удельных объемов металла этих слоев.

При механической обработке металлоизделий могут возникать также остаточные напряжения различного знака, так, например, при точении поверхности детали могут возникать растягивающие напряжения до 70 МПа, которые распространяются на глубину 50…200 мкм.

Огромная масса металлоконструкций различного назначения производится с использованием различных видов сварки, в процессе которой металл в зоне сварного шва подвергается тепловому воздействию от температуры плавления до температур низкого отпуска. В процессе кристаллизации жидкого металла сварного шва и охлаждения металла околошовной зоны возникают усадочные, термические и структурные напряжения, уровень которых может быть различным, в т.ч. и превышать предел текучести с возникновением дефектов металла.

К основным причинам, способным вызвать самопроизвольное деформирование и даже разрушение сварных изделий относятся:

-усадочные напряжения в сварном шве при кристаллизации металла;

-термические напряжения из-за температурного градиента, возникающего в процессе нагрева металла изделия в околошовной зоне;

-фазовые превращения, связанные с образованием из аустенита структур его распада и превращения метастабильных составляющих металла в околошовной зоне;

-старение неустойчивых структур;

-релаксация остаточных сварочных напряжений;

-ползучесть материала сварного соединения под действием остаточных напряжений;

-наличие водорода в металле сварного шва, которые перераспределяется также и в основной металл околошовной зоны, испытывающий воздействие остаточных сварочных напряжений.

Современные представления о распределении собственных напряжений в сварных соединениях сложились на основе экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и зависят от многих факторов. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль швов (продольные). В малоуглеродистых сталях максимальные растягивающие напряжения (продольные) наблюдаются в металле шва и вблизи него (могут достигать уровня предела текучести). В поперечном направлении шва остаточные напряжения существенно (в 3-4 раза) меньше по сравнению с продольными. Максимальные значения поперечной усадки металла достигаются на расстоянии 2/3 длины свариваемых образцов от начала сварного шва. Считается, что наибольший уровень напряжений возникает в объемах металла, удаленных от зоны сплавления примерно на 20мм.

Валик сварного шва можно рассматривать как стержень, защемленный между двумя жесткими неподвижными плитами. Экспериментально установлено, что при стеснении общей деформации металла температурное напряжение в стальном стержне на уровне предела текучести достигается уже при нагреве приблизительно 100⁰С. При нагреве металла свыше 300⁰ уровень температурных напряжений в стержне уменьшается из-за снижения сопротивления металла пластической деформации.

Известно, что в самом простом случае максимальные напряжения при нагреве можно представить в виде зависимости:

s_mас.=gEaÑT:

где: g — коэффициент, учитывающий форму (пластина, цилиндр). Во всех случаях он £1: E -модуль Юнга: a-коэффициент термического расширения: ÑT-температурный перепад.

Опытным путем установлено, что при малом температурном перепаде (ÑT<3 К) термоупругие напряжения настолько малы, что полная деформация тела практически состоит из одной температурной составляющей.

При ÑT³10 К может проявляться пластическая деформация, при которой s>t_кр.-критического напряжения сдвига.

В случае ÑT>100 К возникающие напряжения уже столь велики, что могут вызвать разрушение кристалла. Эти понятия относятся к статической термической нагрузке.

Изучением внутренних или остаточных напряжений в металлах и сплавах впервые стал заниматься русский ученый Н.В. Калакуцкий (1887г). После него многие русские ученые развивали и совершенствовали это направление.

Что такое остаточные напряжения?

Остаточные напряжения — это напряжения в материале, которые возникают на этапе обработки, но сохраняются после того, как изделие закончено, вместо того, чтобы разрешаться после устранения источника напряжения. Остаточные напряжения можно рассматривать как напряжения, которые остаются в изготовленных компонентах. Иногда эти напряжения преднамеренно вводятся для удержания деталей в напряжении с целью продления срока службы и обеспечения других характеристик. В других случаях остаточные напряжения возникают случайно, и они нежелательны.

Человек с дрелью

При обработке таких материалов, как металлы и пластмассы, часто используется тепло, которое может способствовать возникновению остаточных напряжений. Например, остаточное напряжение при сварке является проблемой для некоторых металлических компонентов.Аналогичным образом напряжения могут создаваться пластиками, которые нагреваются и подвергаются литью под давлением. Другие процессы, такие как прокатка, могут создавать аналогичные напряжения в материалах, которые они используют для придания формы или работы.

Когда остаточное напряжение нежелательно и тщательно контролируется, это может стать проблемой.Компоненты могут выйти из строя в результате неконтролируемого остаточного напряжения; например, болт может разорваться без всякого давления. Иногда причиной таких инцидентов, как разрушение моста, считают остаточные напряжения, когда невозможно определить другие причины. Эти напряжения трудно измерить, особенно после того, как отказ компонента повредил деталь, что затрудняет изучение и затрудняет определение причины растрескивания и других проблем.

В других случаях действительно необходимы остаточные напряжения.Классический пример — это напряжение, связанное с забиванием гвоздя. Когда гвоздь забивается в дерево, остаточные напряжения, создаваемые в процессе, удерживают гвоздь, а не позволяют ему выскочить обратно. Точно так же лопасти и другие металлические компоненты часто изготавливаются с остаточными напряжениями, чтобы ограничить растрескивание и усталость. В этих случаях выполняется тщательная калибровка для определения желаемого уровня напряжения и контроля за ним во время производства, чтобы компоненты производились с заданными характеристиками.

Имеется оборудование, которое можно использовать для измерения остаточного напряжения. Измерение такого напряжения сложно, потому что большая часть оборудования предназначена для измерения продолжающегося напряжения, например, напряжения, создаваемого при использовании инструмента. Напряжение, которое по сути сосредоточено в компоненте, измерить труднее.Компании, которые производят оборудование, которое можно использовать для измерения остаточного напряжения, могут также предлагать услуги по испытанию материалов, которые позволяют компаниям отправлять компоненты для испытаний, а не проводить свои собственные испытания.

.

Информация об остаточном напряжении

ЧТО ТАКОЕ ОСТАТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ?

Остаточное напряжение — это внутреннее распределение напряжения, зафиксированное в материале. Эти напряжения присутствуют даже после снятия всех внешних нагрузочных сил. Они являются результатом того, что материал достигает равновесия после того, как он подвергся пластической деформации.

Скачать PDF

КАК ОСТАТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СРАВНИМАЕТ С ПРИЛОЖЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ?

Прикладное напряжение создается внутри материала из-за внешней нагрузки (часто измеряемой тензодатчиком).Остаточное напряжение присутствует внутри материала независимо от нагрузки. Общее напряжение, испытываемое материалом в данном месте внутри компонента, равно остаточному напряжению плюс приложенное напряжение.

ОБЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ = ОСТАТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ + ПРИЛОЖЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Например, если материал с остаточным напряжением -400 МПа подвергается приложенной нагрузке +500 МПа, общее напряжение, испытываемое материалом, является суммой два напряжения: +100 МПа.Следовательно, знание остаточного напряжения важно для определения фактических нагрузок, испытываемых компонентом.

Сжимающее (-) остаточное напряжение действует, сдвигая материал, в то время как растягивающее (+) остаточное напряжение разрывает материал. В целом сжимающее остаточное напряжение на поверхности компонента является полезным: оно имеет тенденцию к увеличению усталостной прочности и усталостной долговечности, замедлению распространения трещин и повышению устойчивости к растрескиванию под воздействием окружающей среды, например коррозионному растрескиванию под напряжением и растрескиванию под действием водорода.С другой стороны, остаточное напряжение при растяжении на поверхности детали обычно нежелательно, поскольку оно снижает усталостную прочность и усталостную долговечность, увеличивает распространение трещин и снижает сопротивление растрескиванию под воздействием окружающей среды.

Напряжения характеризуются как нормальные напряжения, действующие перпендикулярно поверхности материала, либо напряжения сдвига, действующие параллельно поверхности материала. В любой точке материала существует шесть независимых напряжений (три нормальных и три касательных).

ЕДИНИЦ НАПРЯЖЕНИЯ

• Единица измерения напряжения в системе СИ — мегапаскаль (МПа).
• Единица измерения напряжения в США — килограммы на квадратный дюйм (ksi)

6,895 МПа = 1 тыс. Фунтов на квадратный дюйм СТРЕСС?

Остаточные напряжения возникают при уравновешивании материала после пластической деформации, вызванной приложенными механическими нагрузками, тепловыми нагрузками или фазовыми переходами. Механические и термические процессы, применяемые к компоненту во время эксплуатации, также могут изменить его состояние остаточного напряжения.

Примеры процессов, которые могут вызвать остаточное напряжение:

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: Пластификация материала во время обработки.
THERMAL: Различие в затвердевании материала (например, при охлаждении отливки).
PHASE CHANGE: Осаждение / фазовое превращение, приводящее к изменению объема (т. Е. Аустенит в мартенсит).

КАК ОСТАТОЧНЫЙ НАПРЯЖЕНИЕ ВЛИЯЕТ НА КОМПОНЕНТ?

Чистая сумма всех остаточных напряжений по любому поперечному сечению всегда равна нулю.Однако по любому поперечному сечению компонента обычно имеется распределение остаточных напряжений. Распределение остаточного напряжения влияет на производительность. Именно это распределение мы характеризуем с помощью XRD.

ВАЖНОСТЬ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Остаточное напряжение влияет на следующие процессы:

• Малоцикловые и многоцикловые усталостные характеристики
  
• Деформация
• Деформация (контролируемая деформация)
  
• Фреттинг
  
• Коррозия под напряжением растрескивание (SCC) и водородное растрескивание (HIC)
  
• Возникновение и распространение трещин (устойчивость к повреждениям)
  

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Измерение остаточного напряжения может дать множество преимуществ:

• Оптимизация процессов , например, измерение эффективности упрочнения детали в критических местах
  
• Предоставление количественной метрики для помощи в составлении спецификаций и принятии решений о переходе / запрете
• Повышение качества продукции, подтверждение качества поставщика, получение одобрения технических источников
  
• Обеспечение безопасности и сокращение катастрофических f ailures
  
• Продлить срок службы компонента или конструкции за счет наличия достаточного остаточного напряжения сжатия
  
• Подтвердить, что ремонтная зона была «восстановлена» до исходных спецификаций
  
• Достижение более точных требований к замене путем отслеживания деградации остаточного напряжения
  
• Улучшение вероятность обнаружения других неразрушающих методов
  
• Подтвердить распределение остаточных напряжений на основе моделей КЭ и / или механики разрушения
  

ИСТОЧНИКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ВО ВРЕМЯ ПРОИЗВОДСТВА

Остаточное напряжение может быть создано во время производства с помощью таких методов холодной обработки, как как дробеструйное упрочнение, лазерное ударное упрочнение, ультразвуковое упрочнение, ковка, полирование, полирование с низкой пластичностью, прокатка, чеканка и расширение разрезной гильзы.Остаточное напряжение также создается во время производства за счет таких процессов обработки, как шлифование, фрезерование и токарная обработка, а также термических процессов, таких как сварка, литье, ковка и термообработка.

УПРАВЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ

Вредное остаточное напряжение может привести к коррозионному растрескиванию под напряжением, деформации, усталостному растрескиванию, преждевременным выходам из строя компонентов и случаям чрезмерного проектирования. Такие методы, как термообработка, контролируемое охлаждение и локальное нагревание, могут применяться для управления потенциально опасными остаточными напряжениями, которые возникли во время производства.Другие методы, такие как дробеструйное упрочнение, используются для введения в компонент полезных остаточных напряжений, что способствует увеличению усталостной долговечности. Анализ остаточного напряженного состояния компонента гарантирует, что эти процессы прошли успешно. Даже небольшие изменения остаточного напряжения могут существенно повлиять на срок службы компонента, поэтому так важно контролировать остаточное напряжение.

.