» » Методы предупреждения и уменьшения остаточных напряжений
20.01.2015

Остаточные напряжения приводят к короблению изделий и полуфабрикатов при механической обработке, вызывают образование трещин, изменяют поведение конструкций при статических и переменных нагрузках и способствуют коррозионному растрескиванию под напряжением. Коробление при механической обработке связано с перераспределением остаточных напряжений. В первом приближении этот процесс можно связать с тем, что вместе с удаляемыми при механической обработке слоями уносится и некоторая доля внутренней нагрузки, вызываемой внутренними напряжениям». При этом нарушается существовавшее равновесие внутренних сил и устанавливается новое, сопровождающееся изгибом и изменением размеров изделия.
При нагреве под закалку до высокой температуры остаточные напряжения практически полностью снимаются. При закалке из-за резкого охлаждения и вызванного этим неравномерного охлаждения по сечению изделий появляются закалочные остаточные напряжения. Величина закалочных напряженки зависит от свойств сплава, скорости охлаждения, размеров и конфигурации изделий. Особою остроту проблема закалочных напряжений приобретает при обработке крупногабаритных полуфабрикатов.
Для уменьшения остаточных напряжении применяют термические и механические методы.
Основным термическим методом уменьшения остаточных напряжении является регулирование скоростей закалки На практике этот метод чаще всего используют при термообработке штамповок, поковок и отливок. Так как эти полуфабрикаты имеют сложную форму и переменное по размерам сечение, для них практически неприменимы механические методы снижения величины остаточных напряжений.
Наибольший уровень напряжении вызывает закалка в холодной воде. В случае закалки в подогретой и кипящей воде, масле, расплаве солей и т. п. уровень остаточных напряжений резко снижается. Так, например, закалка алюминиевых сплавов в кипящей воде практически не вызывает образования напряжений. Естественно, что уменьшение резкости закалки вызывает изменение механических свойств сплавов после закалки и старения. Поэтому выбор «мягких» режимов закалки должен основываться на исследовании структуры и свойств полуфабрикатов, полученных по различным режимам термообработки.
Уровень остаточных напряжений при прочих равных условиях возрастает с увеличением размеров полуфабрикатов из-за большей жесткости сечения. Поэтому в ряде случаев для снижения остаточных напряжении целесообразно проводить закалку после предварительной механической обработки полуфабрикатов.
С целью уменьшения термических напряжений можно применять также изотермическую закалку, при которой мягкая закалка совмещена со старением или отпуском. Сущность изотермической закалки заключается в нагреве до закалочных температур и охлаждении в закалочной среде с температурой, равной температуре старения или отпуска.
Для уменьшения величины остаточных напряжений широко используют отжиг, режимы которого для конкретных сплавов описаны ниже. Основным механизмом релаксации напряжений в этом случае является создание в материале пластического течения, в результате которого уменьшается первоначальная неоднородность упругих деформаций, вызывающая появление остаточных напряжений. Пластическое состояние может быть вызвано нагревом до достаточно высоких температур, при которых значительно снижаются пределы текучести и ползучести материала и становится возможным пластическое течение под действием остаточных напряжении.
Выбирая режимы отжига, следует учитывать, что при высокой температуре снятие напряжений обусловлено сдвиговой деформацией, протекающей с высокой скоростью, и поэтому выдержки при температуре отжига могут быть небольшими. При низких температурах релаксация напряжений связана с дислокационной ползучестью и поэтому время выдержки составляет десятки часов.
Изменяя скорость охлаждения после отжига, можно получить различный уровень остаточных напряжений. Отжиг для снятия напряжений приводит к разупрочнению материала и поэтому применим в тех случаях, когда приемлема относительно низкая прочность сплавов
Величину напряжений можно уменьшить обработкой холодом. Этот вид термообработки разработан применительно к сложным штамповкам из алюминиевых сплавов. Сущность метода заключается в том, что вводят температурный градиент, противоположный градиенту, возникающему при закалке. При этом создается поле напряжений, обратное по знаку напряжениям, возникшим при закалке, и они взаимно гасятся.
Обработка холодом заключается в охлаждении свежезакаленного изделия в жидком азоте или углекислоте при температурах -196 °C и -70 °C соответственно и в последующем быстром нагреве всей поверхности в высокоскоростной струе пара кипящей воде, в или селитре. Чем ниже температуры охлаждения, тем эффективнее снижаются напряжения и повышается стабильность размеров изделий. Механические свойства материала после такой обработки практически не снижаются.
Во многих случаях термические методы уменьшения остаточных напряжении неприменимы из-за снижения прочности, а иногда и коррозионной стойкости материала изделий. В этом случае пользуются механическими методами уменьшения остаточных напряжений. Oни особенно эффективны для полуфабрикатов простои формы и одинакового сечения по всей длине. Наиболее распространено растяжение при комнатной температуре. Сущность метода заключается в том, что при небольшой пластической деформации (0,5—2%), осуществляемой на растяжной машине, величина напряжении по всему сечению выравнивается. При последующей разгрузке снимается упругая деформация и полуфабрикат почти полностью освобождается от остаточных напряжении.
Для уменьшения величины остаточных напряжений широко применяют и холодное обжатие. Этот метод заключается в обжатии полуфабриката при комнатной температуре для достижения остаточной деформации сжатия заданной величины. Оптимальные результаты могут быть получены при строгом контролировании процесса. Проще всего это достигается при работе гидравлических прессов, хотя может быть использовано любое прессовое и молотовое оборудование. Как и в случае растяжения, после разгрузки остаточные напряжения снимаются.
Для плоских и катаных полуфабрикатов применяют роликовую правку, основанную на принципе повторных перегибов. Правильные ролики правильной машины расположены таким образом, что полуфабрикат, проходя через машины, перегибается последовательно. При этом также снижается уровень остаточных напряжений, но способ менее эффективен, чем растяжение, и его труднее контролировать.