Мастер-Ватт

Технологии и оборудование
для промышленных котельных


Механизм релаксации напряжений в металле

Релаксацией напряжений в металле называется процесс самопроизвольного затухающего падения напряжений во времени.

Процесс релаксации можно представить следующим образом: пусть болту сообщена некоторая упругая деформация путем завинчивания гайки. При этом в болте создается напряжение. Нагрев болтового соединения до высокой температуры вызовет через некоторое время снижение напряжения и тем значительнее, чем выше температура и время выдержки болта под нагрузкой.

Процесс релаксации проявляется наиболее наглядно ро фланцевых соединениях, работающих в условиях высоких температур. Вместе с тем этот процесс играет большую роль в уменьшении величин рабочих напряжений, а также напряжений, вызванных приложением к детали постоянной нагрузки или постоянной составляющей температурных напряжений.

Возникновение остаточных деформаций в процессе релаксации позволяет рассматривать его как процесс ползучести при уменьшающемся напряжении. Однако механизмы релаксации имеют ряд особенностей, связанных с влиянием на нее процессов диффузии и самодиффузии.

Установлено, что релаксация протекает преимущественно путем сдвигово-дислокационного механизма, развивающегося в первую очередь по поверхностям раздела, т. е. на границах зерен, блоков, вторичных фаз и по плоскостям скольжения, в которых произошел сдвиг. Этот механизм релаксационных процессов называется пограничной релаксацией. Кроме того, релаксация напряжений может происходить за счет диффузионных процессов во всем объеме металла. Этот механизм релаксации получил название объемной.

Пограничная релаксация обусловлена тем, что поверхности раздела не способны в течение длительного времени нести приложенные к ним скалывающие напряжения и происходящий сдвиг вдоль границ приводит к перераспределению приложенных к ним напряжений. При этом считается, что при снятии напряжений на поверхностях раздела, протекающем по экспоненциальному закону, происходит концентрация их у стыков зерен, блоков и других узлов жесткости структуры, способных нести напряжения.

Объемная релаксация, очевидно, играет второстепенную роль в поликристаллических металлах, и ее доля в общем процессе релаксации незначительна. Ее можно представить как упорядочение неупорядоченных участков кристаллической решетки. При этом предполагается, что диффузия атомов через поверхности раздела отсутствует.

Факторы, влияющие на процесс релаксации металла.

Наиболее эффективно сказывается на процессе релаксации изменение температуры. При повышении температуры увеличиваются падение напряжений на первом этапе релаксации и наклон к оси времени второго (прямолинейного) участка. Это связано с облегчением протекания как сдвиговых, так и диффузионных процессов.
Повышение величины начального напряжения вызывает большее снижение на первом этапе релаксации, а второй участок имеет почти постоянный наклон.При повторных нагружениях, т. е. однажды прорелаксировавший до определенного напряжения образец нагружается снова (это аналогично перетяжке шпилек фланцевых соединений), несмотря на одинаковые начальные напряжения, падение напряжения за одинаковые промежутки времени на первом этапе релаксации уменьшается.

Роль наклепа в повышении релаксационной стойкости металлов уменьшается с повышением температуры и времени выдержки, и при температурах, являющихся рабочими для сталей, используемых в качестве крепежного материала, может иметь место значительное снижение релаксационной стойкости по сравнению с ненаклепанными сталями.

Значение дисперсионного твердения для релаксации определяется, так же как в процессе ползучести, степенью дисперсности выпавших частиц и скоростью их коагуляции.

Величина зерна оказывает существенное влияние на процесс релаксации: при относительно невысоких температурах лучше сопротивляется релаксации сталь с мелким зерном, при высоких температурах — крупнозернистая сталь.

Повышение релаксационной стойкости сталей достигается введением в них небольших добавок хрома, молибдена, ванадия и т. п. Обычно в сталях, используемых для изготовления крепежных деталей, содержание молибдена и хрома незначительно, так что они не образуют карбидов, а растворяются в феррите и тем самым упрочняют твердый раствор. Ванадий, являясь сильным карбидообразователем, создает фазовое упрочнение.

Релаксационная стойкость сталей повышается с увеличением содержания (до определенного предела) углерода, поэтому в сталях, предназначенных для крепежных деталей, допускается до 0,35—0,40% углерода.

Наибольшая релаксационная стойкость сталей (30ХМА, 25Х2МФА) может быть достигнута при нормализации с последующим высоким отпуском.