3 Физическая сущность напряжений второго рода и искажений третьего рода

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50...200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения - местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры - результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Причиной образования искажений кристаллической решетки являются, главным образом, дислокация и внедрение атомов. Степень и глубина наклепа обусловлены пластической деформацией поверхностного слоя н непосредственно связаны с увеличением дислокаций, вакансий и других дефектов кристаллической решетки металла.

Различают динамические и статические дефекты структуры. К динамическим дефектам относят искажения кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями атомов, а также колебаниями атомов в поле электромагнитной волны, проходящей через кристалл. Они существуют даже в идеальных кристаллах. Статические дефекты связаны с нарушениями расположения атомов в кристаллической решетке, например, один атом в узле решетки отсутствует или замещен другим, либо атомы перегруппировались и сформировали внутри кристаллической решетки более крупный дефект. Статические дефекты в зависимости от их конфигурации принято подразделять на четыре группы:

1 — точечные дефекты, например, отсутствие атома в узле решетки;

2 — линейные дефекты — дислокации, в которых сильные отклонения от периодичности наблюдаются вдоль линии;

3 — поверхностные дефекты, в которых сильные отклонения от периодичности наблюдаются вблизи поверхности, например, границы кристалла и зерен поликристалла;

4 — объемные дефекты, представляющие собой отклонения от периодичности в пределах объемной фигуры, например, поры, микротрещины или малые включения другой фазы. Многие физические свойства твердых тел в значительной степени обусловлены дефектами разных групп, например, прочность и пластичность материала — линейными, поверхностными и объемными дефектами; электрическое сопротивление — точечными дефектами. Коэффициент диффузии, теплопроводность, окраска кристаллов также сильно зависят от наличия дефектов.

Под статическими искажениями решетки (III-рода) понимают напряжения, которые уравновешиваются в пределах небольших групп атомов. В деформированных металлах статические искажения уравновешиваются в группах атомов, лежащих у границ зерен, плоскостей скольжения и т. д. Такие искажения могут быть связаны с дислокациями. Смещения атомов из идеальных положений (узлов решетки) могут также возникать в кристаллах твердого раствора из-за различия размеров атомов и химического взаимодействия между одноименными и разноименными атомами, образующими твердый раствор. При наличии микронапряжений и статических искажений удаление части тела не приводит к их перераспределению. Напряжения разных типов приводит к различным изменениям рентгенограмм и дифрактограмм, что позволяет изучать внутренние напряжения рентгенографическими методами.