Основные механические свойства конструкционных материалов определяются испытанием образцов на растяжение. В процессе таких испытаний устанавливается зависимость между напряжениями растяжения σ и деформацией ε.
В основе определения остаточных напряжений после пластических деформаций лежит теорема о разгрузке. В соответствии с этой теоремой, впервые указанной Генки (1924 г.), остаточные напряжения равны разности между истинными напряжениями в упруго-пластическом теле и теми напряжениями, которые создавались бы в нем при предположении об идеальной упругости материала.
Теорема о разгрузке заключается в следующем: «Пусть к телу приложена система внешних сил и в нем возникли упруго-пластические деформации в процессе простого нагружения (напряжения в данной точке возрастают пропорционально одному параметру). Процесс разгрузки можно представить как процесс нагружения усилиями противоположного направления. При этом нагружении тело ведет себя как упругое. Остаточные напряжения (после двух процессов нагружения - в прямом и обратном направлениях) будут равны разности между напряжениями в упруго-пластическом теле и в упругом теле при одних и тех же нагрузках.»
Теорема справедлива в том случае, если в процессе разгрузки не наступают повторные пластические деформации.
Заметим также, что если распределение напряжений в упруго-пластическом теле и в упругом одинаково (что имеет место в статически определимых системах), то остаточные напряжения после пластической деформации не возникают.
С физической точки зрения образование остаточных напряжений после пластической деформации связано с необратимыми (остаточными) изменениями объема. Эти изменения объема, остающиеся после снятия нагрузки, и вызывают остаточные напряжения.
Образование остаточных напряжений в результате неоднородной пластической деформации встречается в различных технологических процессах (ковке, штамповке, прокатке, волочении, механической обработке).
Также пластическая деформация возникает при значительных температурных напряжениях в случае интенсивного нагрева или охлаждения деталей
Температурные напряжения, возникающие даже при небольшой разности температур, оказываются весьма значительными
Если температурные напряжения в процессе нагрева будут выше предела пропорциональности материала, то после снятия нагрева в материале останутся остаточные напряжения.
В общем случае под температурным коэффициентом линейного расширения следует понимать относительное изменение линейных размеров, вызванное не только температурным расширением, но и фазовыми, структурными и другими процессами, связанными с температурой.
Отметим важную особенность в образовании остаточных напряжений после интенсивного нагрева. В процессе нагрева создаются температурные напряжения сжатия, превосходящие предел текучести материала (температурная деформация, превышающая упругую). В результате в материале образуется остаточная пластическая деформация сжатия. После снятия нагрева размеры детали возвращаются к прежним, но наличие остаточной деформации сжатия вызывает появление остаточных напряжений растяжения.
Во многих случаях оказывается необходимым учесть специфические объемные изменения в материале, связанные с фазовыми и структурными превращениями, которые определяются не только температурой, но и другими параметрами процесса, например, временем. При расчете реальных процессов нагрева или охлаждения следует также иметь в виду, что распределение температур (и температурных напряжений) сильно изменяется во времени.
Кроме температурных напряжений, связанных с нагревом ДСЕ в процессе механической обработки, в могут них также присутствовать напряжения, обусловленные особенностями предшествующих фрезерованию переделов заготовки: производство слитка, получение из него полуфабриката методами обработки давлением, термообработки и, в ряде случаев, сварки. Рассмотрим эти переделы подробнее.