Что такое внутреннее напряжение металла
Внутренними называются такие напряжения, которые существуют в заготовке или в готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Непосредственной причиной образования внутренних напряжения является неоднородность линейных или объемных изменений в макро- и микрообъемах металла.
Обычно внутренние напряжения полностью уравновешиваются, и их действие на заготовку (деталь) внешне ничем не проявляется до тех пор, пока по тем или иным причинам это равновесие не будет нарушено. С нарушением равновесия, которое может быть вызвано приложением внешней нагрузки, удалением слоя материала в виде припуска, разрезкой, обработкой без снятия стружки, термическими или химическими воздействиями, заготовка (деталь) начинает деформироваться до тех пор, пока перераспределение внутренних напряжений не приведет к новому равновесному состоянию. Указанные деформации получили название остаточные деформации. При производстве и ремонте машины приходится иметь дело с внутренними напряжениями, вызываемыми процессами, происходящими при ее работе и рядом технологических процессов: литье, поковка, штамповка, холодная обработка давлением, резание, сварка, термообработка и др.
Одновременное действие двух или более причин приводит к весьма сложным эпюрам расположения внутренних напряжений по сечениям детали, и в то же время величина напряжений может превысить прочностные характеристики материала детали, и на поверхности ее появляются трещины. Такая картина часто встречается при закалке вследствие неправильно назначенных режимов.
Знание характера распределения, а также качественная и количественная характеристика внутренних напряжений весьма важны для повышения качества деталей и правильного построения технологических процессов их изготовления и восстановления. Для примера возьмем заготовку, полученную литьем. Внутренние напряжения в литой заготовке возникают из-за того, что температура толстых и тонких частей отливки получается неодинаковой при переходе из области пластических в область упругих деформаций. Для отливок из серого чугуна область этого перехода лежит в интервале температур 620-400 о С. Тонкие части отливки охлаждаются быстрее толстых. Поэтому усадка металла в ее массивных элементах происходит позднее. Однако усадка не может протекать свободно, т.к. ранее остывшие тонкие части отливки вызывают ее торможение. Кроме этого, свободному протеканию усадки оказывает сопротивление материал формы и стержней. В заготовке после ее изготовления происходит перераспределение внутренних напряжений под воздействием колебания окружающей температуры.
Перераспределение продолжает происходить в детали и после изготовления, при ее работе в машине, вызывая деформации, преждевременный износ и даже аварийные ситуации. Поэтому для увеличения долговечности машин необходимо уменьшать внутренние напряжения заготовок и не допускать наличия их в готовых деталях. Основными путями уменьшения внутренних напряжений в отливках являются: правильная разработка конструктивных форм детали, отвечающих требованиям равномерного остывания всех ее частей; правильное ведение технологического процесса отливки и особенно остывания отливок; выделение черновой обработки детали в отдельную операцию, проведение старения заготовки как после отливки, так и после черновой механической обработки.
Практика машиностроения показала, что интенсивность процесса перераспределения внутренних напряжений, а следовательно, и деформаций отливок значительно возрастает при удалении в процессе обработки поверхностных слоев металла. Поэтому после черновой обработки следует освободить деталь от зажимов, крепящих ее к столу станка или приспособления, чтобы дать ей возможность свободно деформироваться; в противном случае при дальнейшей обработке деталь будет находиться в упруго-напряженном состоянии и после освобождения от зажимов неизбежно будет деформироваться, этим и объясняется необходимость выделить черновую обработку в отдельную операцию. Это мероприятие уменьшает величину последующих деформаций детали, но обычно не настолько, чтобы их величиной можно было пренебречь. Поэтому отливки после черновой обработки подвергаются естественному или искусственному старению. Естественное старение сводится к воздействию на деталь температурных колебаний окружающего воздуха. Продолжительность естественного старения зависит от величины внутренних напряжений и устанавливается обычно для каждого типа и размера детали отдельно. Естественное старение может проводиться в течение нескольких суток, месяцев и даже лет.
Стремление сократить цикл производства привело к замене естественного старения искусственным старением, которое сводится к медленному нагреву детали до температуры 500-600 о С, выдержки ее при этой температуре в течение 4-6 часов и последующем медленном охлаждении с печью до 150-200 о С. Скорость нагрева - 60-150 о в час, а охлаждения - 20 о в час. Внутренние напряжения возникают в деталях и при проведении их термической обработки. Основными средствами сокращения внутренних напряжений после термической обработки являются: придание деталям конструктивных форм, отличающихся плавными переходами от одних объемов металла к другим, правильное ведение процесса термической обработки, особенно обеспечение равномерного остывания деталей, а также введение дополнительной операции – отпуска, т.к. сплошная закалка дает большую деформацию чем поверхностная закалка токами высокой частоты.
В сварных деталях внутренние напряжения образуются вследствие неравномерного нагрева и остывания во время сварки.
Для уменьшения остаточных деформаций сварных деталей необходимо принимать ряд конструктивных и технологических мероприятий: сварные швы следует располагать с разных сторон относительно геометрической оси детали для избежания искривления; правильность наложения сварных швов, выбор интенсивности сварочных режимов и т.д. Для устранения перераспределения внутренних напряжений и сокращения в дальнейшем величин, порождаемых ими деформаций сварных деталей, прибегают к естественному или искусственному старению аналогично тому, как это делается с чугунными отливками.
внутренние напряжения
ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ — остаточные напряжения в отливке, приводящие к ее деформации, а иногда к разрушению. Различают внутренние напряжения первого рода термические напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали из за… … Металлургический словарь
Внутренние напряжения — остаточные напряжения в отливке, приводящие к ее деформации, а иногда к разрушению. Различают внутренние напряжения первого рода термические напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали из за… … Энциклопедический словарь по металлургии
внутренние напряжения — ГОСТ Р 54480 2011 внутренние (остаточные) напряжения Напряжения, возникающие в прокате, которые частично могут сохраниться после окончания термической обработки. Максимальный зазор между двумя частями стальной полосы при их соединении по линии… … Металлургия. Терминология ГОСТ
Внутренние факторы коррозии — факторы, влияющие на скорость, вид и распределение коррозии, связанные с составом, структурой, внутренними напряжениями в металле и состоянием поверхности. Источник: snip id 5429: Руководство по проектированию и защите от коррозии подземных… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
внутренние факторы коррозии — Факторы, влияющие на скорость, вид и распределение коррозии, связанные с природой металла (состав, структура, внутренние напряжения, состояние поверхности). [ГОСТ 5272 68] Тематики коррозия металлов … Справочник технического переводчика
Внутренние факторы коррозии — – факторы, влияющие на скорость, вид и распределение коррозии, связанные с природой металла (состав, структура, внутренние напряжения, состояние поверхности). [ГОСТ 5272 68] Рубрика термина: Виды испарений Рубрики энциклопедии: Абразивное… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
внутренние (остаточные) напряжения — 3.9 внутренние (остаточные) напряжения: Напряжения, возникающие в прокате, которые частично могут сохраниться после окончания термической обработки. Максимальный зазор между двумя частями стальной полосы при их соединении по линии реза после… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Напряжения — [stresses] (Смотри тж. Напряжение): Смотри также: фазовые напряжения термические напряжения пиковые напряжения остаточные напряжения … Энциклопедический словарь по металлургии
ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ — силы напряжения, упругие силы (Internal force) силы, возникающие в деформируемом упругом теле. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
НАПРЯЖЕНИЯ ОСТАТОЧНЫЕ — доля (см.) внутри тела, которая сохраняется во времени после снятия внешних воздействий в отличие от внешних напряжений, вызванных непосредственно приложением внешних сил и исчезающих с их удалением. Н. о. приобретаются телом в случае, когда… … Большая политехническая энциклопедия
Внутренние напряжения — остаточные напряжения в отливке, приводящие к ее деформации, а иногда к разрушению. Различают внутренние напряжения первого рода — термические напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали из-за неравномерного охлаждения или нагрева отливки; Внутренние напряжения второго рода — структурные напряжения, возникающие внутри зерна или между соседними зернами из-за разного коэфициента линейного расширения фаз или из-за образования новых фаз, имеющих разные объемы; Внутренние напряжения третьего рода, возникающие в том случае, когда инородный атом в твёрдом растворе создает вокруг себя упругие искажения кристаллической решетки.
Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .
Смотреть что такое "Внутренние напряжения" в других словарях:
внутренние напряжения — [internal stresses] 1. Напряжения, возникающие между микро или макроэлементами изделия (полуфабриката) вследствие воздействия на него внешних (при обработке давлением) или внутренних (при тепловом воздействии, фазовом превращении) сил, вызывающих … Энциклопедический словарь по металлургии
Виды напряжений и деформаций
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Тело деформируется под действием приложенных к нему внешних сил или различными физико-механическими процессами, например, вследствие температурного воздействия или изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.
При этом в теле возникают внутренние напряжения. Напряжением называется отношение действующего усилия к площади поперечного сечения тела или образца σ = P/F.
Сила Р, действующая на некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают не только нормальные, но и касательные напряжения (рисунок ниже, а). В зависимости от направления действия силы нормальные напряжения подразделяют на растягивающие и сжимающие.
Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла, сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и т.д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок ниже, б). Пик напряжений (σk) тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения. Различают временные и остаточные напряжения.
Временные напряжения возникают под действием внешней нагрузки и исчезают после ее снятия, остаточные - остаются в теле после прекращения действия нагрузки.
Образование нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений при приложении силы Р к площади F (а) и эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений (б)
σн — номинальное (среднее) напряжение (штриховая линия); σк — максимальное напряжение;
Внутренние напряжения могут возникать при неравномерном нагреве изделия вследствие неоднородного расширения металла в различных зонах. Эти напряжения называют температурными. Кроме того, напряжения возникают вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д. Их называют фазовыми или структурными.
В зависимости от взаимно уравновешенных объемов различают напряжения I, II и III рода. Напряжения I рода уравновешены в объеме всего тела, напряжения II рода — в пределах зерна, а напряжения III рода — в объемах кристаллической ячейки.
Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой и изменение микронапряжений III рода вызывает образование макронапряжений I рода.
Деформирование материала может быть упругим и пластическим.
Если после прекращения действия внешних сил изменения формы, структуры и свойств тела полностью устраняются, то такая деформация называется упругой. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла.
При возрастании напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, оставшаяся часть называется пластической деформацией.
Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.
Схема упругой и пластической деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рисунке ниже.
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу наименьшая.
Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая.
Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига
а - первоначальный кристалл; б - упругая деформация; в - увеличение упругой и возникновение пластической деформации; г - остаточная деформация; д - образование двойника; С - плоскость сдвига; D - плоскость двойникования;
Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или несколько систем скольжения одновременно.
Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.
Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг (см. рисунок выше) потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.
Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения через весь кристалл приводит к сдвигу соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом на поверхности кристалла образуется ступенька. Обычно в одном месте выходит на поверхность кристалла группа дислокаций (~ 10. 100). Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.
Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое количество дислоцированных атомов и вакансий.
Двойиикование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки, помимо скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части, относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (см. рисунок выше, д). Двойиикование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.
Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла – путем скольжения или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы неодинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла.
Первоначально под микроскопом на предварительно полип ванных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.
При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму (рисунок ниже, а), после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рисунок ниже, б). Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними. Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна и блоки упруго напряжены (внутренние напряжения II рода), а кристаллическая решетка по границам зерен, блоков и вблизи плоскостей скольжения искажена (внутреннее напряжение III рода).
Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллититов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры.
Изменение формы зерна в результате скольжения (пунктир - граница деформированного зерна)
а – схема и микроструктура металла до деформации; б – схема и микроструктура металла после деформации;
Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку. Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т.д.) Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой. Волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой, так как она определяется наличием примесей. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.
Наклеп поликристаллического металла. С увеличением степени деформации металла в холодном состоянии свойства, характеризующие сопротивление деформации (σв, σ0,2, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластичность (δ и ψ) уменьшается. Металлы интенсивно упрочняются в начальной стадии деформирования, а при увеличении степени деформирования изменяются незначительно (рисунок ниже). Это явление роста упрочнения получило название наклепа.
С увеличением степени деформации предел текучести материала растет быстрее, чем временное сопротивление, и у сильно наклепанного материала они сравниваются, при этом удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным, т.к. продолжение деформирования приводит к его разрушению.
Влияние пластической деформации ε на механические свойства стали σ
Упрочнение металла в процессе пластической деформации объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения. Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. Стадия легкого скольжения при деформации поликристаллического металла, в отличие от монокристаллов, отсутствует. С самого начала пластической деформации происходит упрочнение металла, связанное со скоплением дислокаций у границ. Однако основное упрочнение при холодной пластической деформации поликристаллических металлов определяется характером множественного скольжения в каждом зерне.
Металлы с г.ц.к. решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с о.ц.к. решеткой. В результате холодной деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например, железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.
Напряжения, возникающие в прокате, которые частично могут сохраниться после окончания термической обработки. Максимальный зазор между двумя частями стальной полосы при их соединении по линии реза после разрезания характеризует внутренние напряжения.
Металлургия. Терминология ГОСТ . 2013 .
Читайте также: