» » Термические напряжения
20.01.2015

Нагрев и охлаждение металла при термической обработке, как правило, вызывает появление внутренних напряжений в изделии. В соответствии с первоначальной причиной их возникновения они получили название термических напряжений. Величина и характер распределения этих напряжений изменяются в течение процесса нагрева или охлаждения. Поэтому напряжения в изделии, соответствующие определенному моменту времени нагрева или охлаждения, называют временными. Как правило, после полного выравнивания температур при охлаждении или нагреве в объеме сохраняются внутренние напряжения. В этом случае их называют остаточными.
Основная причина возникновения термических напряжений — неодинаковые скорости нагрева или охлаждения различных объемов изделия.
Если при термообработке сплава протекают фазовые превращения, связанные с объемными изменениями из-за разного удельного объема фаз, то это также приводит к возникновению напряжений в том случае, когда превращения протекают неодновременно по всему объему изделии. Такие напряжения называют структурными или фазовыми. Временные и остаточные структурные термические напряжения в ряде случаев ведут к образованию дефектов в подвергающихся термообработке изделиях.
Рассмотрим сначала сличай симметричного нагрева тела простой конфигурации, например длинной пластины, при условии, что величина возникающих напряжений пи в одном сечении не превышает предела пропорциональности материала при температуре нагрева. Будем считать, что перед нагревом в объеме отсутствовали внутренние напряжения и при нагреве не происходит полиморфных превращений
Скорость нагрева vн=∂t/∂τ в начальный период времени в поверхностных слоях выше, чем в центральных. На конечных стадиях скорость нагрева центральных слоев превышает скорость нагрева периферийных (см. кривые 1 и 2 на рис. 6,б).
Термические напряжения

Если бы тело представляло собой набор тонких пластиночек не соединенных между собой (рис. 7, а), то на начальной стадии нагрева длина каждой из них возросла бы на величину равную l0εΔt, где ε - коэффициент линейного расширения, а остальные обозначения видны на рис. 7. Так как величина Δt для каждой из них (пластин) различна, то после свободного расширения такого составного тела оно станет ступенчатым (рис. 7, б). В действительности же реальное тело деформируется как единое целое и разные слои получают одинаковое среднее удлинение lср. Величина lср меньше величины свободного удлинения поверхностных и больше величины свободного удлинения центральных слоев. Поэтому поверхностные слои в этот период времени будут сжаты, а центральные растянуты Соответствующая эпюра напряжений показана на рис 7, в. Величина напряжений будет возрастать до момента, когда скорости нагрева поверхностных и центральных слоев станут равными
На второй стадии скорости нагрева периферийных слоев становятся меньше скорости нагрева центральных, термические напряжения постепенно уменьшаются и после выравнивания температур нагретого тела полностью исчезают. Таким образом, максимальная вели чина временных напряжений соответствует моменту времени, когда скорости нагрева периферийных и центральных слоев выравниваются. Этому моменту времени соответствует и максимальный перепад температур периферии и центра.
При охлаждении временные напряжения формируются аналогичным образом, но знак их изменяется по сравнению со случаем нагрева. На первых стадиях периферийные слои охлаждаются быстрее центральных (см. рис. 6, е) Центральные слои, охлаждаясь t меньшей скоростью, препятствуют свободному укорочению поверхностных слоев и сжимаются ими. Поверхностные же слои растягиваются Величина напряжений возрастает с увеличением разности температур между слоями. Затем по мере снижения разности температур напряжения уменьшаются и после полного охлаждения полностью исчезают.
Рассмотрим теперь возникновение напряжений при нагреве и охлаждении тел сложной конфигураций в упругой области. На рис 8 показано разнотолщинное изделие и температурные кривые нагрева тонкого I и массивного II частей сечения.
Тонкая часть сечения при всестороннем нагреве нагревается быстрее, и массивная часть сопротивляется ее свободному расширению. Поэтому в тонкой части возникают напряжения сжатия, а в массивной — растяжения. Как и ранее, максимальная величина временных напряжении соответствует наибольшей величине температурного перепада. Из-за несимметричности температурного поля по объему изделия в paccмaтpивaваемом случае наряду с возникновением напряжении появляется и временное коробление. Изделие изгибается в сторону объемов, нагревающихся с меньшими скоростями. Впоследствии по мере выравнивания температуры по объему уменьшается и величина напряжений, и коробление, приближаясь к нулевым значениям после окончательного нагрева.
Термические напряжения

При охлаждении температура в тонкой части сечения снижается быстрее и взаимодействие с массивной частью приводит к возникновению в первой напряжений растяжения. Коробление в этом случае происходит в обратном направлении. После окончательного охлаждения форма изделия восстанавливается, а временные напряжения исчезают.
Протекание в рассматриваемом температурном интервале процессов, приводящих к объемным изменениям, например полиморфного превращения, приводит к появлению дополнительных структурных временных напряжений, которые алгебраически суммируются с временными температурными напряжениями. Полиморфное превращение при нагреве происходит сначала в поверхностных слоях и затем распространяется в глубь сечения. Если оно происходит с увеличением объема, то это приводит к увеличению временных напряжений сжатия в поверхностных слоях и соответственно напряжении растяжения в центральных. Если при полиморфном превращении, протекающем при нагреве, объем уменьшается, то это способствует уменьшению временных напряжений. При полиморфном превращении с увеличением объема временные температурные напряжения в условиях охлаждения снижаются и. наоборот, возрастают, если оно происходит с уменьшением объема.
Из проведенного анализа следует, что термические и структурные напряжения, величина которых не превышает предела пропорциональности, носят временный характер. Они возрастают до момента установления максимальной температуры в объеме изделия и затем снижаются по мере их выравнивания. Величина временных напряжений тем больше, чем больше перепад температур по сечению изделия. Температурный перепад возрастает с увеличением скорости нагрева изделий, и поэтому она оказывает решающее влияние на уровень напряжений. Чем выше скорость нагрева, тем больше величина временных термических напряжений.
При нагреве и охлаждении с высокими скоростями сумма временных термических и структурных напряжений часто превышает предел текучести материала. При этом в малопластичных сплавах могут возникать трещины. Особенно часто они возникают при закалке и называются закалочными трещинами. Поэтому рассмотрим более детально случай охлаждения нагретого тела с интенсивным отводом тепла с поверхности тела.
При высоких температурах прочностные характеристики сплавов обычно невысоки и материал обладает высокой пластичностью. По мере снижения температуры увеличивается прочность и снижается пластичность, Условно можно считать, что при температурах выше некоторого критического значения tкр величиной временных напряжений можно пренебречь, так как они быстро релаксируют вследствие пластической деформации, происходящей при очень низких напряжениях течения. В слое, который охлаждается до температур ниже tкр, внутренними напряжениями уже пренебрегать нельзя.
Схема распределения температур по сечению тела и различные моменты времени показана на рис. 9, а. В момент времени τ1 поверхностные слон охлаждаются с большими скоростями, чем внутренние, и в слое ξ1 возникают временные напряжения. При этом поверхностные слон растянуты, а внутренние сжаты (рис. 9, б). В центральных слоях тела формируются напряжении сжатия, соответствующие пределу текучести при температурах выше tкр. В промежутке времени Δτ=τ2—τ1 скорость охлаждения внутренних слоев становится больше, чем периферийных, и поэтому в поверхностном слое растягивающие напряжения постепенна снимаются и, наконец, сменяются сжимающими. Во внутренних слоях в это же время возникают напряжения pастяжения, кроме самых центральных слоев, где еще сохраняются напряжения сжатия. Дальнейшее снижение температур в объеме тела приводит к увеличению толщины зоны ξ, в которой накапливаются упругие напряжения пока она не распространится на все сечение.
Последующее охлаждение в области температур, соответствующих упругому состоянию материала, вызывает резкий рост напряжений. При этом до полного охлаждения (т∞) в поверхностных слоях, охлаждающихся с малой скоростью, накапливаются напряжения сжатия, а в центральных, охлаждающихся с большой скоростью, — растягивающие напряжения. Их величина может превысить временное сопротивление материала, и тогда может произойти разрушение. Описанные выше напряжения являются остаточными термическими напряжениями.
Термические напряжения

Для ориентировочной оценки напряженного состояния после полного охлаждения можно использовать следующее правило: части сечения, охлаждающиеся в первую очередь, после полного выравнивания температур, сжаты, а в последнюю растянуты. Если температурные поля по сечению изделия несимметричны, то после полного охлаждения наблюдается остаточная деформация, вызывающая изменение формы изделия (коробление).
Чтобы исключить разрушение изделий при закалке, необходимо снижать скорости охлаждения в области температур, соответствующих упругому состоянию материала. Остаточные напряжения являются внутренними напряжениями, уравновешенными в объеме тела. Если под их воздействием происходит деформация, то величина напряжений снижается. Поэтому мерой, характеризующей способность материала сопротивляться трещинообразованию, является не прочность, а пластичность. Разрушение происходит только тогда, когда исчерпан запас пластичности. Материал с высокими характеристиками пластичности не склонен к трещинообразованию.