1.1 Характеристика упругонапряженного состояния материала

Технологии получения металлических изделий путем литья в формы, обработки давлением, сварки плавлением, механической и термической обработки приводят к возникновению в материале изделия остаточных внутренних напряжений, которые можно рассматривать как нереализованную энергию, введенную в металл за счет внешних воздействий на изделие различных механических факторов, а также при развитии объемно нескомпенсированных структурных изменений внутри металла.

Причинами сохранения остаточных напряжений в изделии являются факторы, которые затрудняют перемещение отдельных дислокаций и комплексов физических дефектов, формирующих внутри изделия неподвижные дислокационные образования и другие концентраторы напряжений. При этом каждая отдельная дислокация, как носитель упругой энергии, и образованные комплексы создают сложную картину распределения остаточных напряжений по сечению изделий. Наиболее значимыми для характеристики общего упруго-напряженного состояния изделия в целом являются упругие макронапряжения (напряжения 1-го рода). Не умаляя значения микронапряжений в поведении материала изделий при их эксплуатации, необходимо отметить, что именно уровень макронапряжений определяет склонность материалов к хрупкому разрушению, значение порога хладноломкости, поведение изделия в условиях знакопеременных и ударных нагрузок, стабильность размеров и формы изделий при длительных сроках эксплуатации. Именно по причинам возникновения критических величин макронапряжений в металлоконструкциях происходят аварийные ситуации со сварными корпусами морских и речных судов, металлоконструкциями мостов и других сложнонапряженных изделий. Напряжениями первого рода объясняется образование закалочных трещин на стальных изделиях при термической обработке и при последующей их эксплуатации. Любые эксплуатационные разрушения обусловлены в большинстве случаев суммированием критических эксплуатационных нагрузок с остаточными внутренними напряжениями. Остаточные напряжения могут вызвать коробление деталей при их механической обработке, в период эксплуатации готового изделия или даже при хранении их на складе.

Остаточные внутренние напряжения в поверхностных слоях уменьшают коррозионную стойкость, повышают химическую активность материала. Общеизвестны явления коррозионного растрескивания и коррозии под напряжением, приводящие к разрушению упругонапряженных изделий в агрессивных средах. Однако отрицательное влияние остаточных внутренних напряжений на свойства материала изделия и его эксплуатационную надежность проявляется в том случае, если на поверхности наблюдаются растягивающие напряжения.

Создание в поверхности сжимающих напряжений, наоборот, увеличивает работоспособность изделий, поскольку в большинстве случаев любое разрушение начинается с поверхности, и напряжения сжатия, суммирующиеся с наиболее опасными растягивающими внешними эксплуатационными напряжениями, обеспечивают своеобразный запас работоспособности. Для создания на поверхности ответственных деталей слоев со сжимающими напряжениями используют поверхностный наклеп дробью, накатку роликами, шариками, поверхностную закалку и химико-термическую обработку. Возникновение остаточных внутренних напряжений, уравновешивающихся в объемах, соизмеримых с размерами целого изделия либо отдельных его частей, обусловлено неодинаковым либо неодновременным изменением объема и формы изделий при воздействии на них внешних механических напряжений либо тепловых воздействий. Простейшим примером, иллюстрирующим возникновение остаточных макронапряжений за счет неодинакового изменения формы и объема соседних частей единого изделия, может явиться прокатка рельса, когда головка и тело рельса получаются путем пластической деформации с принципиально различными степенями пластической деформации. Более тонкое по сравнению с головкой тело рельса получается при значительно большем вытягивании при прокатке этой зоны деформируемого металла по сравнению с соседним, соответствующим образованию головки. Поэтому в переходной зоне между толстой головкой и тонким телом рельса возникают сдвиговые внутренние напряжения, сохраняющиеся в рельсе после окончания прокатки.

Образовавшиеся таким образом напряжения называют напряжениями от неоднородной деформации. Кроме того, макронапряжения могут быть вызваны температурными градиентами по сечению изделий при быстрых нагревах и охлаждениях (термические напряжения), неодновременностью или неодинаковостью протекания структурных и фазовых превращений в различных зонах изделия (структурные напряжения). Возникновение термических напряжений при быстром нагреве связано с тем, что поверхность изделия при загрузке в печь нагревается быстрее, чем внутренние его слои. Вместе с повышением температуры увеличивается объем нагревающихся слоев вследствие теплового расширения. При этом, поверхность, нагревающаяся быстрее внутренних слоев, увеличивает свой объем в большей степени, чем внутренние. Поэтому между внешними и внутренними слоями возникают растягивающие напряжения, которые могут по своей величине превышать предел упругости, предел текучести и даже предел прочности материала. В этом случае такие напряжения вызовут упругопластическую деформацию или даже разрушение изделия. При быстром охлаждении поверхность всегда имеет более низкую температуру, чем внутренние слои, в связи с чем поверхность сжимается в большей степени, чем сердцевина, а в поверхностных слоях возникают тангенциальные растягивающие напряжения, которые также могут вызвать нежелательные последствия вплоть до разрушения изделия.

Известно, что структурные изменения практически всегда приводят к изменению удельных объемов, в связи с чем, неодинаковость изменения объема поверхностных слоев и сердцевины изделия при различных структурных изменениях в указанных зонах детали, также как и температурный градиент, будет вызывать появление напряжений. Такие напряжения называют структурными.

Возникающие в реальных условиях получения и обработки изделий напряжения никогда не могут быть вызваны только одной причиной. Практически во всех случаях их уровень и характер распределения является результатом влияния сразу нескольких причин. Но каждому технологическому процессу свойственен определенный набор факторов, определяющих напряженное состояние изделия в целом. При этом общий уровень и распределение напряжений по сечению изделий определяются местными условиями возникающих температурных градиентов, характером структурных превращений, механическими затруднениями релаксационных процессов и свойствами материала изделия. Поэтому возникла классификация остаточных внутренних напряжений по видам операций, при которых они возникают. Напряжения в этой связи могут быть: литейными, сварочными, закалочными, шлифовочными и др. Поэтому и технологии снятия напряжений для различных изделий, полученных разными методами, имеют свои особенности, как по технологическим режимам, так и по механизмам реализуемых структурных превращений.