6. Внутренние напряжения
Различают внутренние напряжения трех родов.
Внутренние напряжения первого рода — это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между, различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, возникающий при термической обработке и между различными частями детали, который зависит от скорости и равномерности охлаждения, размера детали и ряда других причин, тем большего значения достигают внутренние напряжения первого рода.
Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерна или между соседними зернами.
Внутренние напряжения второго рода возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новых фаз, имеющих разные объемы. Внутренние напряжения второго рода не зависят от тех факторов, от которых зависят напряжения первого рода,
например скорости охлаждения и других факторов. Поскольку внутренние напряжения второго рода возникают между отдельными элементами структур, их иногда называют структурными напряжениями, а внутренние напряжения первого рода — зональными термическими напряжениями.
Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки.
Случай, когда инородный атом в твердом растворе создает вокруг себя упругие искажения кристаллической решетки, представляет собой пример возникновения напряжений третьего рода.
Какого бы рода ни были напряжения, в конечном итоге они вызывают одинаковый эффект — упругие деформации и искажения кристаллической решетки.
Основным методом изучения и измерения внутренних напряжений является рентгенографический. Для определения напряжений первого рода применяют и механический метод.
Внутренние напряжения впервые начал изучать русский инженер Н. В. Калакуцкий (в 1886-1887 гг.). Г. Закс разработал простой метод математического расчета. Теперь по внутренним напряжениям в стали и других металлах имеются многочисленные исследования и обширная литература.
Внутренние напряжения первого рода, влияние которых особенно существенно, так как только они вызывают коробление детали и трещины, зависят не только от внешних факторов (скорость охлаждения, размер и форма детали и т. д.), но и от свойств металла. Если металл обладает малой пластичностью, то возникающие внутренние напряжения не снимаются пластической деформацией, и если напряжения по величине превзойдут значение предела прочности, то возникнут трещины.
В процессе нагрева и охлаждения внутренние напряжения изменяются, например при нагреве поверхностные слои металла испытывают напряжения сжатия, так как они стремятся расшириться, а этому препятствуют более холодные слои металла сердцевины. Наоборот, при охлаждении поверхности слои, имеющие более низкую температуру, чем сердцевина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевина — напряжения сжатия.
Окончание охлаждения соответствует выравниванию температуры во всем сечении. Значит ли это, что установление одинаковой температуры по всему объему приводит к устранению напряжений? Нет. После того как охлаждение и, следовательно, сокращение объема поверхности закончилось, некоторое время центральные части еще охлаждаются и объем сердцевинных слоев уменьшается, возникают внутренние напряжения, которые к моменту окончания охлаждения во всем сечении принимают определенное значение.
Напряжения, которые сохранились в детали в результате охлаждения, называются остаточными напряжениями.
Закаленная сталь всегда находится в структурно напряженном состоянии. Отпуск — необходимое и радикальное средство уменьшения остаточных напряжений.
Нагрев стали при отпуске увеличивает пластичность; это позволяет в отдельных объемах упругим деформациям превратиться в пластические, что уменьшает напряжения.
Чем выше температура отпуска и чем больше его продолжительность, тем в большей степени снимаются напряжения (рис. 242).
Рис. 242. Влияние температуры и продолжительности отпуска стали с 0,3 % С на остаточные напряжения
Рис. 243. Кривые охлаждения для различных способов закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита
Отпуск при 550 °С практически полностью устраняет закалочные напряжения (исходные напряжения с 600 МПа уменьшились до 50-100 МПа).
