Залишкові напруження

Залишко́ві напру́ження (англ. residual stresses) — механічні напруження у тілі, що знаходиться у стані спокою й рівноваги та відсутності впливу зовнішніх сил. Ці напруження зазвичай виникають після кристалізації, різних видів температурно-силового впливу чи фазових перетворень і зрівноважуються всередині виробу (напівфабрикату) викликаючи у ньому пружні деформації.

Прояв залишкових напружень у металі, що викликають деформацію стінки порожнистого конструктивного елемента при його розрізанні пилою

Загальна характеристика

Залишкове напруження виникає в матеріалі в процесі його термооброблення, переходу з рідкого стану у твердий, при механічному обробленні, зварюванні тощо. Залишкові напруження у пластику, металевому матеріалі, склі є присутніми завжди. Причиною виникнення залишкових напружень є неоднорідність деформованого стану твердого тіла через різноманітні зміни в різних місцях його довжини чи об'єму.

Залишкові напруження можуть бути шкідливими (результат: жолоблення, тріщини, корозія) і корисними (підвищують границю пружності системи, границю витривалості, корозіє-механічну та корозійну стійкість тощо). Шкідливі залишкові напруження вважаються прихованим дефектом.

Зазвичай, фактори, що сприяють окрихченню (зниження температури, наявність об'ємного розтягу, різке зростання швидкості деформування) посилюють вплив залишкових напружень, і навпаки, чим еластичнішим є стан матеріалу, тим швидше і у більшій мірі знімається залишкове напруження.

Залишкові напруження можуть зніматись відпуском. З метою зменшення залишкових напружень у кожному конкретному випадку розробляється комплекс заходів конструктивного та технологічного характеру.

Класифікація залишкових напружень

Залишкові напруження залежно від розмірів зони їх поширення поділяються на:

• залишкове напруження 1-го роду у розмірах, порівняних з розмірами усього тіла;
• залишкове напруження 2-го роду або мікроскопічні, у розмірах, порівняних з розмірами зерен металу. Мікроскопічні напруження вивчаються рентгенографічними методами;
• залишкове напруження 3-го роду або субмікроскопічні — області напружень у розмірах, порівняних з розмірами атомно-кристалічної ґратки.

До якої б групи не належали залишкові напруження, вони мають одну і ту ж природу. При всякому спотворенні правильності кристалічних решіток зерен полікристалів створюється напружений стан. Очевидно, якщо після усунення зовнішнього навантаження комірка кристалічної решітки не може повернутися в початковий рівноважний стан, то в ній створюється залишкова напруженість. Ця напруженість, підсумовуючись в межах декількох кристалічних ґраток, складає третю групу залишкових напружень, в межах декількох зерен — другу групу і, нарешті, в межах макрооб'єму — першу групу залишкових напружень.

Основним методом вивчення залишкових напружень є рентгенографічний, що дозволяє оцінювати ступінь спотворення кристалічних ґраток зерен металу, і по ній давати кількісну оцінку залишкової напруженості. Макроскопічний розподіл залишкових напружень (напружень I роду) піддається вивченню методами механічних випробовувань.

Шкідливі залишкові напруження (найчастіше напруження розтягу) призводять до руйнування виробу, появи в ньому тріщин, прискорення корозії. Корисні напруження, частіше стискувальні, підвищують пружність виробу, витривалість, збільшують корозійну стійкість.

Причини виникнення залишкових напружень

Залишкові напруження при твердненні

Виникнення залишкових напружень при переході матеріалу з рідкого стану у твердий пояснюється тим, що тверднення починається у поверхневих шарах і супроводжується усадкою. Випередження тверднення зовнішнього шару призводить до виникнення в ньому внутрішніх напружень розтягу. Зменшення внутрішніх напружень у виливках добиваються як конструктивними, так і технологічними заходами.

Конструктивні заходи

Основні заходи для зменшення величини залишкових напружень, що ґрунтуються на конструктивних рішеннях:

• забезпечення якомога менших перепадів величин поперечних перерізів виливка та уникнення переходів від товстих частин до тонких;
• штучне охолодження частин виливка, що повільно остигають, і навпаки, сповільнення охолодження зон, які швидко остигають використанням додаткової теплоізоляції;
• видалення тих частин одноразової форми, що протидіють вільній усадці металу, наприклад стержнів, що можуть при остиганні металу викликати його розтріскування;
• підбір таких сортів металу, які відрізняються найменшою схильністю до усадки.

Технологічні заходи

Значний вплив на величину залишкових напружень робить температура розплаву на момент заливання форми: чим вища температура, тим більшою буде усадка а отже і залишкові напруження. Вплив на залишкові напруження роблять також ті обставини, при яких охолоджується виливок. Повільне остигання зазвичай сприяє зменшенню залишкових напружень.

Впливають на залишкові напруження і самі ливарні форми: піщані форми, зазнаючи розширення під напором струменя розплаву, що вливається в них, збільшують початковий об'єм металу, а тому зменшують усадку. Такий же вплив, але у більшій мірі, проявляється при литті у металеві форми.

Залишкові напруження при зварюванні

В процесі зварювання конструкцій при охолодженні в металі виникають напруження, викликані неоднаковим нагріванням основного та наплавленого металу, усадкою металу після зварювання, структурними змінами в металі через нагрівання та швидке охолодження, зміну розчинності газів у зварному шві при його охолодженні. Внутрішні напруження спричиняють як деформацію, так і руйнування зварних виробів. Для усунення (недопущення) залишкових напружень вживають конструктивних та технологічних заходів.

Конструктивні заходи

• Основним обирається метал, який не утворює гартівних структур при охолодженні на повітрі. Метал електродів повинен мати пластичні властивості не гірші від пластичних властивостей основного металу.
• У процесі зварювання неможна допускати концентрації швів та їх перетинання.
• При зварювання слід уникати швів у вигляді замкнутих контурів, які приводять до зростання площинної напруженості.
• Слід уникати зварювальних косинок, накладок що приводять до збільшення площинних напружень.
• При зварюванні слід віддавати перевагу стиковим швам, які є менш жорсткими. У них концентрація силових напружень набагато менша, ніж у кутових швах.
• У процесі проектування зварних конструкцій треба передбачати можливість виготовлення окремих зварних вузлів, які потім можна було б поєднувати у загальну конструкцію. Це у цілому знижує площинну напруженість.

Технологічні заходи

• Попередній і супутній підігрів виробів у процесі зварювання;
• Після зварювання гарячий метал проковують;
• Відпуск після зварювання знижує залишкові напруження на 85-90 %;
• Вальцювання зварних швів.

Використання

Залишкові напруження можуть створюватись з конструктивною метою (саморозкривні космічні антени) або ж можуть бути шкідливими.

Залишкове напруження створюють при виготовленні пружин, металевих рулеток та інших виробів. Залишкові напруження зазвичай виникають після гартування металевого матеріалу.

Див. також

• Термічні напруження
• Релаксація напружень

Джерела

• Гликман Л. А. Методы определения остаточных напряжений // Тр. Ленингр. инж.-экон. ин-та, 1960, вып. 30.
• Биргер И. А. Остаточные напряжения. — М.: Гос. Научно-техн. изд-во машиностроительной литературы, 1963. — 232 с.
• Уголев Б.H. Контроль напряжений при сушке древесины / Б. Н. Уголев, Ю. Г. Лапшин, Е. В. Кротов — М.: Лесная промышленность, 1980. — 208 с.
• Бокин П. Я. Механические свойства силикатных стёкол. — Л.: Наука. Ленинградское отделение,1970. — 180 с.
• Чередов В. Н. Дефекты в синтетических кристаллах флюорита. СПб: Наука. — 1993. — 112 c.
• Hosford, William F. Residual Stresses. // Mechanical Behavior of Materials, Cambridge University Press , 2005. — P. 308—321. — ISBN 978-0-521-84670-7
• Cary, Howard B. and Scott C. Helzer Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2005. — ISBN 0-13-113029-3.
• Shajer, Gary S. Practical Residual Stress Measurement Methods. Wiley, 2013 — ISBN 978-1-118-34237-4

Посилання

• Кондратенко І. П., Божко І. В., Жильцов А. В., Власюк В. В. Методи визначення залишкових напружень [Архівовано 20 квітня 2022 у Wayback Machine.] // Праці ТДАТУ. — Вип.13, Т.2. — С.127-135.
• НАПРЯЖЕНИЕ ОСТАТОЧНОЕ [Архівовано 19 червня 2016 у Wayback Machine.] (рос.)
• Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях [Архівовано 1 липня 2016 у Wayback Machine.] на сайті «Мастерская своего дела» (рос.)