Остаточные напряжения сжатия¶

Остаточные напряжения сжатия — это внутренние механические напряжения, которые остаются в материале или изделии после прекращения внешних воздействий (нагрузок, тепловых полей, фазовых превращений) и уравновешиваются внутри объема тела без приложения внешних сил. В отличие от временных напряжений, возникающих под нагрузкой, остаточные напряжения существуют в равновесном состоянии и могут оказывать существенное влияние на прочность, долговечность и эксплуатационные характеристики деталей и конструкций. Остаточные напряжения сжатия являются частным случаем остаточных напряжений, при котором в определенных областях материала действуют силы, стремящиеся сжать его.

¶Природа и механизмы возникновения

Остаточные напряжения сжатия возникают в результате неоднородных пластических деформаций, температурных градиентов, фазовых превращений или химических процессов. Их формирование связано с тем, что разные участки материала претерпевают необратимые изменения объема или формы, но при этом остаются связанными упругими связями.

¶Термомеханические процессы

При нагреве и последующем охлаждении детали, особенно с неравномерным распределением температуры, возникают термические напряжения. Если эти напряжения превышают предел текучести материала, происходит пластическая деформация. После выравнивания температуры в материале остаются напряжения, уравновешивающие друг друга. Например, при закалке стали поверхностные слои остывают быстрее, чем сердцевина, что приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, а в сердцевине — растяжения.

¶Механическая обработка

При пластической деформации, такой как ковка, прокатка, штамповка, волочение, в материале возникают неоднородные деформации. После снятия внешней нагрузки часть этих деформаций сохраняется, формируя остаточные напряжения. Например, при поверхностном пластическом деформировании (дробеструйная обработка, накатка роликами) создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое.

¶Фазовые превращения

В материалах, испытывающих полиморфные превращения (например, в сталях при закалке), изменение кристаллической решетки сопровождается изменением удельного объема. Если превращение происходит неравномерно по сечению детали, возникают остаточные напряжения. При мартенситном превращении в стали объем увеличивается, что при закалке приводит к возникновению напряжений сжатия в поверхностном слое, если он превращается в мартенсит позже сердцевины.

¶Химические и электрохимические процессы

При нанесении гальванических покрытий, цементации, азотировании или других видах химико-термической обработки в поверхностном слое изменяется химический состав и, как следствие, удельный объем. Это приводит к возникновению остаточных напряжений. Например, при цементации стали поверхностный слой обогащается углеродом, что при закалке вызывает образование напряжений сжатия.

¶Классификация

Остаточные напряжения сжатия классифицируются по нескольким признакам:

¶По масштабу действия

• Макронапряжения (I рода) — распространяются на макроскопические области, соизмеримые с размерами детали. Уравновешиваются в объеме всего тела. Определяются методами механического разрезки или рентгеновской дифрактометрии.
• Микронапряжения (II рода) — действуют в пределах отдельных зерен или их конгломератов. Уравновешиваются в объеме нескольких зерен. Возникают из-за анизотропии упругих и пластических свойств кристаллов.
• Субмикронапряжения (III рода) — связаны с дефектами кристаллической решетки (дислокациями, вакансиями). Уравновешиваются в пределах нескольких межатомных расстояний.

¶По знаку

• Сжимающие — стремятся уменьшить объем материала в данной области.
• Растягивающие — стремятся увеличить объем.

¶По происхождению

• Технологические — возникают в процессе изготовления детали (литье, ковка, сварка, механическая обработка, термическая обработка).
• Эксплуатационные — возникают в процессе работы конструкции под действием нагрузок, температур, коррозии.

¶Методы измерения

Измерение остаточных напряжений сжатия является сложной задачей, так как они не проявляются внешне и существуют в равновесном состоянии. Основные методы делятся на разрушающие и неразрушающие.

¶Разрушающие методы

• Метод разрезки — деталь разрезается на части, и по изменению формы (деформации) судят о величине напряжений. Наиболее точен, но требует разрушения образца.
• Метод отверстий — в поверхность детали высверливается небольшое отверстие, и по деформации окружающего материала (измеряемой тензодатчиками) определяют напряжения. Относится к полуразрушающим.

¶Неразрушающие методы

• Рентгеновская дифрактометрия — основана на измерении изменения межплоскостных расстояний кристаллической решетки под действием напряжений. Позволяет определять напряжения в поверхностном слое толщиной до 0,1 мм.
• Ультразвуковой метод — использует зависимость скорости распространения упругих волн от напряжений. Позволяет оценивать напряжения в объеме материала.
• Магнитные методы — основаны на изменении магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием напряжений (эффект Виллари).

¶Влияние на свойства материалов

Остаточные напряжения сжатия оказывают двоякое влияние на эксплуатационные характеристики деталей.

¶Положительное влияние

• Повышение усталостной прочности — сжимающие напряжения в поверхностном слое препятствуют зарождению и распространению трещин усталости. Это широко используется в машиностроении: дробеструйная обработка, накатка, обкатка роликами.
• Повышение коррозионной стойкости — сжатие поверхностного слоя замедляет развитие коррозионных трещин, особенно при коррозии под напряжением.
• Повышение износостойкости — сжатие уплотняет поверхностный слой, увеличивая его твердость и сопротивление истиранию.

¶Отрицательное влияние

• Снижение статической прочности — при определенных условиях сжимающие напряжения могут способствовать потере устойчивости (выпучиванию) тонкостенных деталей.
• Коробление и деформация — при нарушении равновесия остаточных напряжений (например, при механической обработке) деталь может деформироваться.
• Снижение сопротивления хрупкому разрушению — в некоторых материалах сжимающие напряжения могут способствовать образованию трещин при ударных нагрузках.

¶Методы создания и регулирования

В промышленности часто целенаправленно создают остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое для улучшения эксплуатационных свойств.

¶Поверхностное пластическое деформирование (ППД)

• Дробеструйная обработка — поверхность обстреливается дробью, что вызывает пластическую деформацию и создает сжимающие напряжения на глубину до 0,5–1 мм.
• Накатка роликами — поверхность обкатывается роликами под давлением, создавая сжимающие напряжения на глубину до 2–3 мм.
• Чеканка — ударная обработка поверхности бойками.

¶Термическая обработка

• Закалка с поверхностным нагревом (ТВЧ, лазерная закалка) — быстрый нагрев и охлаждение поверхностного слоя создают в нем сжимающие напряжения.
• Отпуск — при определенных режимах отпуска можно снизить или перераспределить остаточные напряжения.

¶Химико-термическая обработка

• Цементация, азотирование, нитроцементация — насыщение поверхностного слоя углеродом или азотом с последующей закалкой создает сжимающие напряжения.

¶Сварка

• Предварительный подогрев — снижает градиент температур и уменьшает растягивающие напряжения в зоне сварного шва.
• Проковка шва — пластическая деформация шва создает в нем сжимающие напряжения.
• Термическая обработка после сварки — снимает или перераспределяет остаточные напряжения.

¶Примеры применения

• Авиастроение — дробеструйная обработка лопаток турбин, шасси, элементов планера для повышения усталостной прочности.
• Автомобилестроение — накатка шеек коленчатых валов, дробеструйная обработка пружин, рессор.
• Нефтегазовая промышленность — обработка трубопроводов, буровых инструментов для повышения коррозионной стойкости.
• Медицина — создание сжимающих напряжений в имплантатах (например, в титановых сплавах) для повышения их долговечности.
• Инструментальное производство — закалка и поверхностная обработка режущего инструмента (сверла, фрезы, штампы) для увеличения износостойкости.

¶Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, создание остаточных напряжений сжатия не всегда является однозначно полезным. В некоторых случаях, особенно при неправильном выборе режимов обработки, возможно образование микротрещин, снижение пластичности материала или возникновение нежелательных деформаций. Кроме того, контроль и измерение остаточных напряжений остаются сложными и дорогостоящими процедурами, что ограничивает их применение в массовом производстве. Существует также проблема релаксации (снятия) остаточных напряжений во времени под действием температуры или циклических нагрузок, что может снизить эффективность обработки.

¶Источники

1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. — М.: Машиностроение, 1963.
2. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А. Остаточные напряжения и прочность деталей машин. — Самара: СГАУ, 2009.
3. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. — Киев: Наукова думка, 1981.
4. ГОСТ 23207-78. Сопротивление усталости. Термины и определения.
5. Withers P. J., Bhadeshia H. K. D. H. Residual stress. Part 1 – Measurement techniques // Materials Science and Technology. — 2001. — Vol. 17, № 4. — P. 355–365.