1.2 Снятие остаточных напряжений

Если остаточные внутренние напряжения рассматривать как нереализованную энергию, введенную в металл за счет внешних механических факторов, а также объемных изменений внутри металла, обусловленных тепловым расширением и развивающимися структурными превращениями, то становится ясным, что снятие остаточных напряжений достигается в результате создания необходимых условий для самопроизвольного использования запасенной упругой энергии на развитие релаксационных явлений. Для этого следует “растормозить” закрепленные дислокации либо придать им дополнительный импульс, позволяющий преодолеть закрепления в плоскостях скольжения. Реализация избыточной упругой энергии принципиально возможна в двух режимах: динамическом либо статическом.

Динамический режим релаксации предусматривает наложение дополнительных импульсных нагружений на упругую систему с помощью вибрации, знакопеременных ударных нагрузок, ультразвуковых колебаний либо путем циклических тепловых воздействий, в том числе с охлаждением до температур ниже ⁰С. Импульсные и знакопеременные нагружения способствуют отрыву дислокаций от закрепляющих их атомов примесей, а также к возможному переходу линий дислокаций в другие плоскости скольжения, в связи с чем достигается использование части запасенной упругой энергии на осуществление сдвига дислокаций, что снижает уровень остаточных внутренних напряжений. Однако наиболее эффективным и надежным режимом снятия остаточных напряжений является статический режим, для реализации которого следует понизить величину сопротивления перемещению дислокаций ниже уровня действующих в металле остаточных напряжений. Это достигается в результате нагрева упругодеформированного материала до температур, определяемых составом сплава и его структурным состоянием. Снятие остаточных напряжений может происходить по двум механизмам: сдвиговому и диффузионному.

При реализациисдвигового механизма снятия остаточных внутренних напряжений они начинают снижаться в тот момент, когда при нагреве уровень критического напряжения сдвига, уменьшаясь с ростом температуры, станет меньше величины исходных остаточных внутренних напряжений. Разница значений действующих в металле упругих напряжений и значений критического напряжения сдвига становится движущим фактором релаксации напряжений.

Чем больше эта разница, тем в большей степени снимаются внутренние напряжения, тем больше эффективность процесса отжига, уменьшающего напряжения. При этом реализуется консервативное перемещение дислокаций в своих плоскостях скольжения после исчезновения части закреплений дислокаций узлами дислокационных сеток и различными физико-химическими неоднородностями. Учитывая, что скорость перемещения дислокаций в своих плоскостях скольжения несоизмеримо больше, чем скорость исчезновения закреплений в структуре упругодеформированного материала, кинетика снятия напряжений будет контролироваться скоростью последних. Кривые, отражающие кинетику снятия внутренних напряжений, приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Кинетика снятия остаточных внутренних напряжений при отжиге, реализующем сдвиговый механизм релаксации при температурах Т₁< T₂ < T₃ и диффузионный при температуре отжига Т₄ < T₁.

Сдвиговая кинетика снятия напряжений характеризуется быстрым уменьшением остаточных напряжений до уровня, близкого к значению критического напряжения сдвига, соответствующего температуре отжига, с последующим очень слабым уменьшением напряжений, уровень которых асимптотически приближается к величине критического напряжения.

При этом, чем выше температура отжига, тем ниже значение критического напряжения и больше эффект снятия напряжений. Характер же кинетики в данном случае не зависит от температуры. В любом случае наблюдается быстрое уменьшение напряжений в начальный момент и дальнейшее очень слабое их уменьшение до уровня критического напряжения сдвига. При этом кинетика снятия и уровень остаточных напряжений после отжига определяются не его длительностью, а температурой нагрева.

Совершенно иной характер кинетики снятия напряжений при температуре отжига Т₄ (рисунок1.1, кривая Т₄), не обеспечивающей уменьшения критического напряжения сдвига ниже уровня исходных остаточных внутренних напряжений.

При этом сдвиговые перемещения закрепленных в своих плоскостях скольжения дислокаций оказываются невозможными, поэтому единственным механизмом релаксации упругих напряжений становится диффузионный механизм, заключающийся в диффузионном переползании дислокаций в поперечном направлении при их взаимодействии с мигрирующими вакансиями. Это диффузионное переползание дислокаций и возможное их частичное сдвиговое перемещение в новых плоскостях скольжения и составляет сущность релаксационных процессов, обеспечивающих уменьшение упругой энергии отжигаемого материала. Поскольку скорость процесса определяется диффузионными явлениями при относительно низких температурах, кинетика снятия напряжений принципиально отличается от кинетики релаксации при сдвиговом механизме. При диффузионном механизме релаксации кинетика снятия напряжений определяется не температурой, а длительностью выдержки (кривая Т₄ на рисунке 1.1), которая достигает на практике нескольких десятков часов, тогда как отжиг, реализующий сдвиговый механизм релаксации напряжений завершается за несколько минут в зависимости от формы изделия и его размеров.