Залишкові напруження

механічні напруження у тілі, що знаходиться у стані спокою й рівноваги та відсутності впливу зовнішніх сил

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[1] 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

ред.

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

ред.

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

ред.

Залишкові напруження при твердненні

ред.

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

ред.

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

ред.

Залишкові напруження можуть створюватись з конструктивною метою (саморозкривні космічні антени[2]) 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

ред.

Примітки

ред.
  1. ДСТУ 2825-94 Розрахунки та випробування на міцність. Терміни та визначення основних понять.
  2. Строительство в космосе [Архівовано 15 червня 2009 у Wayback Machine.] (рос.)

Джерела

ред.
  • 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

ред.