Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р, (рис. 7) приложенная к некоторой площадке F, обычно направлена к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объему тела.

Наличие в испытуемом образце механических надрезов,  трещин внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений,  создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающими) (см. рис. 7). Действие надрезов,  сделанных в образце,   аналогично конфигурации изделий,  имеющих сквозные отверстия,  резьбу и т.п.,  или влиянию внутренних дефектов металла (неметаллических включений,  графитных выделений в чугуне,  трещин и др.),   нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы,  отверстия,  галтели и другие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают временные,  обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия,  и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми.

Кроме того,  напряжения возникают в процессе кристаллизации,  при неравномерной деформации,  при термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д.,  эти напряжения называют фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения классифицируют на:

Напряжения 1 рода (или зональные), называемые также макронапряжениями,  они уравновешиваются в объеме всего тела,   возникают главным образом в результате технологических процессов,  которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

Напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен),  их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла,  когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения 3 рода,  локализующиеся в объемах кристаллической ячейки,  представляют собой статические искажения решетки,  т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

Упругая и пластическая деформация

Упругой называют деформацию,   влияние которой на форму,  структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное,  полностью обратимое смещение атомов,  или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние,  и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации,  которую называют пластической,  остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристалла - одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений,  когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига,   показана на рис.9..

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов,  где сопротивление сдвигу (τ ) наименьшее. Это объясняется тем,  что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее,   т.е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения,  тем выше его способность к пластической деформации.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12,  кроме скольжения,  может осуществляться двойникованием,  которое сводится к переориентировке части кристалла в положение,   симметричное по отношению к первой части относительно плоскости,  называемой плоскостью двойникования (рис. 8). Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.