Остаточные напряжения

Остаточные напряжения — упругая деформация и соответствующее ей напряжение в твердом теле при отсутствии действия на него механического воздействия извне.

Проявление остаточных напряжений в металле

Остаточное напряжение возникает в материале в процессе его термообработки, переходе из жидкого состояния в твёрдое, при механической обработке, сварке и др. Остаточные напряжения в пластмассе, металле, стекле присутствуют всегда. Причиной возникновения остаточных напряжений является неоднородность деформированного состояния твердого тела из-за различного изменения в разных местах его длины или объема.

Возникновение остаточных напряжений при переходе материала из жидкого состояния в твердое объясняется тем, что затвердевание начинается в поверхностных слоях и сопровождается усадкой. Опережение затвердевания наружного слоя приводит к возникновению в нем внутренних напряжений растяжения.

Остаточные напряжения могут быть сделаны в конструктивных целях (самораскрывающиеся космические антенны) или быть вредными. Вредные остаточные напряжения являются скрытым дефектом. Для их уменьшения принимается комплекс мер.

Классификация

Остаточные напряжения в зависимости от их размеров делятся на:

• Остаточные напряжения 1-го рода в размерах, сравнимых с размерами всего тела;
• Остаточное напряжение 2-го рода или микроскопические, в размерах, сравнимых с размерами зерен металла. Микроскопические напряжения изучаются рентгенографическими методами;
• Остаточное напряжение 3-го рода или субмикроскопические искажения, в размерах, сравнимых с размерами атомно-кристаллической решетки.

Вредные остаточные напряжения (чаще растягивающие) приводят к разрушению изделия, появлению в нем трещин, ускорению образования коррозии. Полезные напряжения, чаще сжимающие, повышают упругость изделия, выносливость, увеличивают коррозионную стойкость.

Остаточные напряжения при сварке

В процессе сварки конструкции при остывании металла в нем возникают напряжения вызванные неодинаковым нагревом основного и наплавленного металлов, усадкой металла после сварки, структурными изменениями в металле из-за нагрева и быстрого охлаждения, изменением растворимости газов в сварном шве при его охлаждении. Внутренние напряжения способствуют как деформации или разрушению сварного изделия. Для устранения остаточных напряжения проводятся конструктивные и технологические мероприятия.

Конструктивные мероприятия:

• В качестве основного металла выбирается металл, не образующий закалочных структур при остывании на воздухе. Металл электродов должен иметь пластические свойства которого не ниже пластических свойств основного металла.
• В процессе сварки нельзя допускать концентрацию швов и их пересечения.
• При сварке следует избегать швов в виде замкнутых контуров. Это увеличивает плоскостную напряженность.
• Следует избегать сварочных косынок, накладок приводящих к увеличению плоскостных напряжений.
• При сварке необходимо отдавать предпочтение стыковым швам, являющимися менее жесткими. В них концентрация силовых напряжений намного меньше, чем в угловых швах.
• В процессе проектирования сварных конструкций надо предусматривать возможность изготовления отдельных сварных узлов, которые потом можно было бы соединять в общую конструкцию. Это в целом снижает плоскостную напряженность.

Технологические мероприятия:

• Предварительный и сопутствующий подогрев изделий в процессе варки;
• После сварки горячий металл проковывают;
• Отпуск после сварки снижает остаточные напряжения на 85-90%;
• Прокатка сварных швов.

Использование

Остаточное напряжение используют для изготовления пружин, самораскрывающихся антенн, металлических рулеток и других изделий. При этом проводят отпуск металла. Остаточные напряжения обычно возникают при закалке в результате термической обработки.

Литература

• Башкатов А.В. Напряжения и деформации при сварке. Воронеж. Изд. ВГТУ. 1999.
• Гликман Л. А., Методы определения остаточных напряжений, «Тр. Ленингр. инж.-экон. ин-та», 1960, вып. 30;
• Биргер И. А. Остаточные напряжения, М., 1963;
• Уголев Б. Н. Внутренние напряжения в древесине при ее сушке, М.—Л., 1959;
• Васильев Д. М., Добродеева Н. М., «Физика твердого тела», 1962, т. 4, № 1, с. 140—47.
• П.Я.Бокин. Механические свойства силикатных стёкол, 29. Наука, Л., 1970.
• Hosford, William F. 2005. "Residual Stresses." In Mechanical Behavior of Materials, 308–321. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84670-7
• Cary, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3.
• Shajer, Gary S. 2013. Practical Residual Stress Measurement Methods. Wiley. ISBN 978-1-118-34237-4

Ссылки

• НАПРЯЖЕНИЕ ОСТАТОЧНОЕ Архивная копия от 19 июня 2016 на Wayback Machine
• Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях Архивная копия от 1 июля 2016 на Wayback Machine