Макронапряжения. (Остаточные напряжения первого рода)

В результате пластической деформации металла поверхностного слоя при механической обработке, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируются макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела.

Макронапряжения развиваются в тех наиболее частых случаях, когда степень пластической деформации неоднородна по всему поперечному сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не даёт соседним областям полностью вернуться в состояние после упругого растяжения, которому они первоначально подвергались, в результате чего в обоих участках возникают остаточные напряжения разного знака. Область, первоначально наиболее растянутая, оказывается в состоянии остаточного сжатия, а смежная с ней, в состоянии растяжения.

Изложенные материалы позволяют сделать краткие выводы, которые приводятся ниже.

1. Пластическая деформация осуществляется путём движения волн дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверхность кристаллов и образованием соответствующих ступенек сдвига. Происходящее при этом генерирование новых дислокаций, вовлекаемых в общее движение, увеличивает объём и степень пластической деформации. При этом происходит: а) изменение формы деформируемых заготовок, а также дробление, поворот и вытягивание зерен их поликристаллов с образованием текстуры деформации; б) возникновение полос (пачек) скольжения с формированием кристаллических блоков различных размеров и их дальнейшим дроблением и взаимным вращением; в) искажение кристаллической решетки и искривление плоскостей скольжения.

Пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением (наклепом) металла и изменением некоторых его физических и химических свойств. Деформационное упрочнение (наклёп) является атермическим процессом и определяется степенью пластической деформации металла, зависящей от величины и продолжительности воздействия деформирующей внешней силы. Степень деформационного упрочнения повышается: а) при увеличении плотности дислокации в процессе деформации металла и торможения их перемещений в узлах пересечений дислокаций и других препятствий, нарушающих правильность строения кристаллической решётки; б) при измельчении кристаллических блоков и появлении дополнительных границ зерен, затрудняющих движение дислокаций и усиливающих эффект блокирования плоскостей скольжения одного зерна соседними зернами с другой ориентацией кристаллической решётки, в результате чего скольжение, которое началось в одном зерне, не может свободно развиваться далее и тормозится соседними зернами; в) при увеличении поверхностной энергии кристаллических блоков, связанной с их дроблением и увеличением разме­ров поперечного сечения, создающим области затрудненной деформации кристаллов; г) при формировании напряженного состояния металла в его микроскопических и субмикроскопических объёмах (образование межкристаллитных и внутрикристаллитных напряжений второго рода и искажений кристаллической решётки, определяющих величину напряжения третьего рода); д) при пластической деформации и деформационном упрочнении, сопровождающимся изменением ряда физических, химических, электрических, магнитных и иных свойств металла; в частности, они уменьшают плотность металла (при достижении степени холодной пластической деформации, равной 90 %, объём деформированного чистого железа и стали увеличивается на 5 %), снижают коррозионную стойкость металла, его магнитную проницаемость, остаточную индукцию, электропроводность и теплопроводность, повышают коэрцитивную силу и электрическое сопротивление, скорость протекания диффузионных процессов, особенно процессов, происходящих в разрыхлённой межзеренной прослойке при большой разориентации кристаллических зерен.

Изменение указанных свойств металлов может оказать существенное влияние на важные эксплуатационные свойства некоторых деталей машин, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и режимов обработки этих деталей.