Остаточные напряжения. 
Сопротивление материалов с использованием вычислительных комплексов

В зависимости от объема, в котором уравновешиваются остаточные напряжения, они могут быть первого, второго или третьего рода. Остаточные напряжения первого рода — уравновешиваемые в объеме всего тела; второго — уравновешиваемые в объеме порядка размеров зерен металла; третьего — уравновешиваемые в областях порядка размера межатомных расстояний. Далее рассматриваем только напряжения первого рода.

Так как напряжения уравновешиваются внутри тела, то в нем одновременно присутствуют и растягивающие и сжимающие напряжения. Действие остаточных напряжений — результат их сложения с напряжениями от внешних сил. Если напряжения растяжения от внешних сил складываются с остаточными напряжениями растяжения — прочность падает, если с остаточными напряжениями сжатия — прочность растет.

Остаточные напряжения растяжения могут служить причиной образования трещин в сварных соединениях, отливках, закаленных деталях. Кроме того они могут привести к короблению конструкций при сварке, а после механической обработки — к изменению размеров детали. Причиной остаточных напряжений является остаточная деформация: пластическая — при механической обработке и сварке, упругая — при слесарной сборке, горячих и прессовых посадках. Остаточные напряжения не могут быть выше предела текучести.

При сложном напряженном состоянии предельные значения остаточных напряжений удовлетворяют IV гипотезе прочности:

Механизм появления остаточных напряжений при пластической деформации рассмотрен на примере пластического кручения и пластического изгиба в гл. 8.

Для повышения прочности и долговечности конструкции необходимо уменьшать растягивающие напряжения в опасных местах. Для этого желательно создать на поверхности детали сжимающие остаточные напряжения. Существует много способов поверхностного упрочнения деталей, приводящих к повышению поверхностной твердости и наведению остаточных напряжений сжатия:

механическое — обдувка дробью, обкатка роликами, чеканка;

термическое — поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ);

термохимическое — цементирование, азотирование, цианирование.

В основе механического упрочнения лежит пластическая деформация сжатия поверхностного слоя материала. При закалке ТВЧ превращение аустенита в мартенсит в поверхностном слое сопровождается увеличением объема и возникновением остаточных напряжений сжатия. При термохимическом упрочнении внедрение атомов углерода или азота в поверхностные слои металла также приводит к увеличению объема. Ввиду малой толщины упрочненного слоя остаточные напряжения в нем бывают очень велики.

Поверхностное упрочнение обычно производят в местах концентрации напряжений или в зонах повышенного износа деталей из малопластичных материалов или работающих при циклических нагрузках, так как в этом случае эффект упрочнения наибольший.

На рис. 17.10 приведены эпюры нормальных напряжений в сечении круглого стержня с кольцевым надрезом при растяжении.

Поверхностное упрочнение надреза позволяет создать остаточные напряжения о_ост, практически компенсирующие пик упругих напряжений а_упр. Суммарные напряжения а_сум оказались почти выровненными по сечению, что ведет к большому повышению усталостной прочности и долговечности детали.

Рис. 17.10. Влияние остаточных напряжений на прочность стержня с надрезом.

Следует иметь в виду, что ряд видов поверхностной обработки приводит к появлению в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения, что снижает прочность и может вызвать появление поверхностных трещин: некоторые процессы гальванопластики, например хромирование; никелирование; воронение; обезуглероживание поверхностного слоя; быстрая сушка древесины, ведущая к ее растрескиванию; потеря пластификатора из полимеров.

При токарной обработке детали в зависимости от заточки резца и режима резания возникают остаточные напряжения того или иного знака, а при шлифовании — растягивающие напряжения. Для снятия остаточных напряжений используют отжиг детали при температуре выше температуры рекристаллизации. Для любых сталей отжиг при температуре 600 °C обеспечивает полное снятие остаточных напряжений.