Остаточные напряжения

Остаточные напряжения — это напряжения, которые сохраняются в материале или конструкции после устранения причин, их вызвавших (например, после снятия внешних нагрузок, прекращения нагрева или завершения технологической обработки). Они представляют собой внутреннее напряжённо-деформированное состояние, находящееся в равновесии без воздействия внешних сил. Остаточные напряжения возникают в результате неоднородных пластических деформаций, фазовых превращений, температурных градиентов или структурных изменений в материале. Их наличие может существенно влиять на прочность, долговечность и эксплуатационные свойства изделий, как положительно (повышение усталостной прочности), так и отрицательно (снижение несущей способности, коробление, растрескивание).

История изучения

Первые систематические исследования остаточных напряжений начались в XIX веке в связи с развитием металлургии и машиностроения. В 1840-х годах французский инженер Жан-Виктор Понселе обратил внимание на внутренние напряжения в рельсах после прокатки, что приводило к их преждевременному разрушению. В 1850-х годах немецкий учёный Адольф Вёлер, изучая усталость металлов, установил, что остаточные напряжения, возникающие при циклических нагрузках, могут как ускорять, так и замедлять разрушение.

В России значительный вклад в теорию остаточных напряжений внёс Николай Егорович Жуковский в конце XIX века, разработав математические модели для расчёта внутренних напряжений в упругих телах. В 1930-х годах советский учёный Иван Михайлович Бабушкин экспериментально изучал остаточные напряжения в сварных соединениях, что стало основой для разработки методов их снижения. В 1950-х годах с развитием рентгеновской дифрактометрии появилась возможность неразрушающего контроля остаточных напряжений, что ускорило их исследование в авиационной и космической промышленности.

Классификация

Остаточные напряжения классифицируют по масштабу, происхождению и знаку (знаку напряжения).

По масштабу

• Макронапряжения (I рода) — распространяются на объём, сопоставимый с размерами детали или её крупных элементов. Возникают, например, при неравномерной пластической деформации, сварке или термообработке. Измеряются методами механического разрушения (сверление отверстий, вырезание образцов) или рентгеновской дифракции.
• Микронапряжения (II рода) — действуют в пределах отдельных зёрен или кристаллитов материала. Обусловлены анизотропией упругих свойств, разницей в ориентации кристаллов или фазовыми превращениями. Выявляются рентгенографическими методами.
• Субмикронапряжения (III рода) — возникают на уровне атомной решётки, например, из-за точечных дефектов (вакансий, дислокаций). Изучаются методами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции.

По происхождению

• Термические — результат неоднородного нагрева или охлаждения. Характерны для сварки, литья, закалки.
• Деформационные — следствие пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка, гибка).
• Фазовые — связаны с изменением объёма при фазовых превращениях (например, аустенит-мартенситное превращение в стали).
• Технологические — возникают при механической обработке (шлифование, точение, фрезерование) из-за локального нагрева и пластической деформации поверхностного слоя.
• Сварочные — особая группа термических и деформационных напряжений, возникающих при сварке из-за локального расплавления и последующего усадки шва.

По знаку

• Сжимающие — уменьшают объём материала в направлении действия. Положительно влияют на усталостную прочность, так как препятствуют раскрытию трещин.
• Растягивающие — увеличивают объём. Опасны, так как способствуют зарождению и распространению трещин, особенно при циклических нагрузках.

Причины возникновения

Основные причины остаточных напряжений связаны с неоднородностью физико-механических процессов в материале. При нагреве или охлаждении разные участки детали расширяются или сжимаются неравномерно, что приводит к возникновению внутренних сил. Например, при сварке стальной пластины шов нагревается до температуры плавления, а окружающий металл остаётся холодным. После остывания шов усаживается, но его деформация ограничена соседними участками, в результате чего в шве и околошовной зоне формируются растягивающие напряжения, а в удалённых зонах — сжимающие.

При пластической деформации (например, при прокатке листа) внешние силы вызывают необратимое изменение формы. После снятия нагрузки часть деформации остаётся, создавая внутреннее напряжённое состояние. В поверхностном слое после шлифования или дробеструйной обработки возникают сжимающие напряжения из-за локального упрочнения.

Фазовые превращения, такие как превращение аустенита в мартенсит при закалке стали, сопровождаются увеличением объёма на 3–4 %. Если превращение происходит неравномерно по сечению детали, возникают значительные растягивающие напряжения, способные вызвать трещины.

Методы измерения

Существуют разрушающие и неразрушающие методы определения остаточных напряжений.

Разрушающие методы

• Метод сверления отверстий — в деталь высверливается отверстие малого диаметра (1–3 мм), и по деформации окружающего материала (измеряемой тензодатчиками) рассчитываются напряжения. Метод стандартизирован (ASTM E837) и широко применяется в машиностроении.
• Метод вырезания образцов — из детали вырезается фрагмент, и по изменению его формы (например, изгибу) судят о величине напряжений. Точен, но требует разрушения изделия.
• Метод колец и разрезов — применяется для труб и цилиндров: после разрезания кольца его диаметр изменяется, что позволяет рассчитать окружные напряжения.

Неразрушающие методы

• Рентгеновская дифракция — основана на измерении изменения межплоскостных расстояний кристаллической решётки под действием напряжений. Позволяет определять напряжения в поверхностном слое (глубиной до 10–50 мкм). Метод точен, но требует сложного оборудования и эталонов.
• Ультразвуковой метод — использует зависимость скорости распространения ультразвуковых волн от напряжённого состояния. Применяется для контроля массивных деталей, но менее точен, чем рентгеновский.
• Магнитные методы — основаны на изменении магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием напряжений (эффект Виллари). Используются для контроля стальных конструкций, например, рельсов.
• Нейтронная дифракция — аналогична рентгеновской, но позволяет измерять напряжения на глубине до нескольких сантиметров благодаря высокой проникающей способности нейтронов. Применяется в научных исследованиях.

Влияние на свойства материалов

Остаточные напряжения могут как улучшать, так и ухудшать эксплуатационные характеристики изделий.

Положительное влияние

• Повышение усталостной прочности — сжимающие напряжения в поверхностном слое (создаваемые дробеструйной обработкой, накаткой, обкаткой роликами) препятствуют зарождению и росту усталостных трещин. Например, после дробеструйной обработки усталостная прочность пружин и валов может увеличиться в 1,5–2 раза.
• Увеличение коррозионной стойкости — сжимающие напряжения замедляют развитие коррозионного растрескивания под напряжением.
• Повышение износостойкости — упрочнённый поверхностный слой с остаточными сжимающими напряжениями лучше сопротивляется абразивному износу.

Отрицательное влияние

• Снижение статической прочности — растягивающие напряжения, суммируясь с рабочими, могут превысить предел текучести или прочности, вызывая разрушение. Особенно опасно это для хрупких материалов (чугуны, керамика).
• Коробление и деформация — при механической обработке (например, фрезеровании) снятие слоя металла с остаточными напряжениями приводит к изгибу или скручиванию детали.
• Растрескивание — высокие растягивающие напряжения в сварных швах или после закалки могут вызвать холодные трещины, особенно при наличии концентраторов напряжений.
• Ускорение коррозии — растягивающие напряжения способствуют развитию коррозионного растрескивания, особенно в агрессивных средах (например, в хлоридных растворах для нержавеющих сталей).

Методы управления и снижения

Для уменьшения или перераспределения остаточных напряжений применяют различные технологические приёмы.

Термические методы

• Отжиг — нагрев детали до температуры рекристаллизации (для стали 600–700 °C) с медленным охлаждением. Снимает до 80–90 % остаточных напряжений за счёт релаксации. Применяется для крупных сварных конструкций, литых заготовок.
• Низкотемпературный отпуск — нагрев до 150–300 °C для снятия напряжений после закалки без снижения твёрдости.
• Нормализация — нагрев выше критических точек с последующим охлаждением на воздухе. Снижает напряжения, но менее эффективна, чем отжиг.

Механические методы

• Дробеструйная обработка — создаёт сжимающие напряжения в поверхностном слое, компенсируя растягивающие. Широко применяется в авиастроении, автомобилестроении.
• Накатка роликами — аналогичный эффект для валов, осей, пружин.
• Правка — пластическая деформация для устранения коробления, вызванного остаточными напряжениями.
• Виброобработка — приложение циклических нагрузок с частотой, близкой к резонансной, для релаксации напряжений. Используется для крупных конструкций (рамы, корпуса).

Термомеханические методы

• Термоциклирование — многократный нагрев и охлаждение в заданном диапазоне температур для перераспределения напряжений.
• Горячая правка — нагрев локальных участков с последующей деформацией для выравнивания напряжённого состояния.

Применение в промышленности

Учёт и управление остаточными напряжениями критически важны в ряде отраслей.

• Авиастроение — детали двигателей и планера (лопатки турбин, диски, панели фюзеляжа) проходят дробеструйную обработку для повышения усталостной прочности. Остаточные напряжения контролируются рентгеновскими методами.
• Автомобилестроение — коленчатые валы, шатуны, пружины подвески обрабатываются накаткой или дробеструйно. Сварные рамы проходят отжиг для снижения напряжений.
• Нефтегазовая промышленность — трубопроводы и резервуары высокого давления после сварки подвергаются термической обработке для предотвращения коррозионного растрескивания.
• Энергетика — роторы турбин, корпуса реакторов, паропроводы проходят контроль остаточных напряжений для обеспечения безопасности.
• Металлургия — листовой прокат, рельсы, балки после прокатки имеют остаточные напряжения, которые могут приводить к короблению при резке. Применяется правка на роликоправильных машинах.

Интересные факты

• Остаточные напряжения могут сохраняться в материалах тысячи лет. Например, в древних кованых железных изделиях (мечи, инструменты) археологи обнаруживают внутренние напряжения, возникшие при ковке.
• В 1940-х годах в США серия разрушений сварных кораблей типа «Либерти» была вызвана высокими остаточными напряжениями в сварных швах в сочетании с низкими температурами. Это привело к разработке методов термической обработки сварных конструкций.
• Природные остаточные напряжения существуют в горных породах и ледниках, вызывая их растрескивание или образование трещин при разгрузке (например, при бурении скважин).
• В ювелирном деле остаточные напряжения в драгоценных камнях (например, в алмазах) могут приводить к их самопроизвольному раскалыванию при огранке.

Источники

• Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. — М.: Наука, 1975.
• Биргер И. А. Остаточные напряжения. — М.: Машиностроение, 1963.
• ГОСТ 21752-84. Металлы. Методы определения остаточных напряжений.
• ASTM E837-13. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.
• Материалы конференций по прочности и разрушению (ICF, 2010–2020).