Отжиг для уменьшения остаточных напряжений
Под внутренними напряжениями понимают напряжения, уравновешивающиеся в объеме тела при отсутствии внешних нагрузок.
Напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей, называют зональными или напряжениями I рода,
Напряжений, уравновешивающихся в объеме отдельных кристаллитов или их частей, называются микронапряжениями или напряжениями II рода.
Здесь мы рассмотрим только макронапряжения)
Отжиг для уменьшения остаточных напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация зональных остаточных напряжений.
Их появление может быть связано с осуществлением различных технических операций (литья, сварки, обработки давлением, термической обработки и т. д.). Нагрев и охлаждение металла, фазовые превращения в твердом состоянии сопровождаются изменением удельного объема сталей. Так как в процессе технологических операций обычно возникает градиент температур по сечению изделия, то изменение удельного объема в различных участках изделия происходит неодновременно и в неодинаковой степени, что и приводит к появлению внутренних напряжений.
Другой причиной возникновения внутренних напряжений является неодинаковая пластическая деформация в различных объемах изделия, что, например, наблюдается при обработке давлением. Пример:
Возникновение остаточных напряжений в полосе из-за разного обжатия центральных и крайних слоев при прокатке в бочкообразных валках:
1 – полоса до прокатки;
2 – полоса после прокатки;
3 – центральный слой полосы в случае свободной вытяжки (без взаимодействия с соседними слоями)
Особенно опасны растягивающие напряжения при трехосном растяжении когда создаются благоприятные условия для хрупкого разрушения. Остаточные напряжения особенно опасны в изделиях из малопластичных сплавов и таких, которые становятся хрупкими при понижении температуры.
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.
Некоторые виды термической обработки одновременно с решением основной задачи обеспечивают уменьшение остаточных напряжений. Так, например, рекристаллизационный отжиг наряду с формированием заданной структуры снижает уровень внутренних напряжений, возникших при холодной обработке давлением.
Для уменьшения остаточных напряжений может быть использована специальная термическая обработка - отжиг, при котором нагрев осуществляют до температур, лежащих ниже точки Ас1. Как правило, отжиг проводится в интервале 450...650 °С, так как при более низких температурах предел текучести большинства сталей остается достаточно высоким. Длительность отжига обычно устанавливают экспериментально.
При выборе режима отжига для уменьшения внутренних напряжений необходимо учитывать характер предшествующей термической обработки. Если изделие подвергалось улучшению (закалке и высокому отпуску), то для того, чтобы сохранился полученный комплекс механических свойств, температура последующего отжига должна быть несколько ниже температуры высокого отпуска. При этом выбранный режим отжига должен исключать возможность развития обратимой отпускной хрупкости. В ряде случаев, например после шлифовки, отжигу для уменьшения внутренних напряжений подвергают закаленные и низкоотпущенные изделия. Тогда нагрев осуществляют до температур 100... 150 °С с длительными выдержками (до 100 ч и более). Однако следует учитывать, что после такого отжига сохраняется значительная доля остаточных напряжений.
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.