Остаточные напряжения образуются после различных процессов, например после литья, сварки, прокатки, термообработки, а также после механической обработки (точения, фрезерования, шлифования и др.).
Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых миллиметра. Однако, как показывает опыт эксплуатации, остаточные напряжения в поверхностном слое могут повлиять на прочность всей детали, особенно при действии переменных напряжений.
Два основных фактора вызывают возникновение остаточных напряжений - пластическая деформация при силовом воздействии и нагревание поверхностных слоев.
На рисунке ниже показана пластическая деформация поверхностного слоя при резании (по данным П. Д. Беспахотного). Возле вершины резца при силовом воздействии возникает пластическая деформация растяжения, и после снятия усилия в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.
Наличие пластической деформации в поверхностном слое при резании подтверждается измерением микротвердости.
Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным градиентам и температурным напряжениям, превосходящим предел текучести материала. Возникшая пластическая деформация сжатия после установления нормальной температуры в детали вызывает появление растягивающих остаточных напряжений. В некоторых случаях, кроме чисто температурных деформаций, следует учесть структурные изменения и вызванные ими изменения объема.
Таким образом, два основных фактора при резании - силовой и температурный - действуют в противоположные стороны, что и объясняет существенную зависимость величины и знака остаточных напряжений от технологического режима обработки.
Остаточные напряжения при точении зависят от скорости резания и подачи, величины переднего угла резца, затупления резца, условий охлаждения; они зависят, конечно, и от механических свойств обрабатываемого материала.
При точении углеродистой стали с положительным передним углом резца на высоких скоростях резания в поверхностных слоях образуются остаточные напряжения растяжения. При тех же условиях резания в стали 18ХНМА образуются напряжения сжатия.
Созданию остаточных напряжений растяжения в поверхностных слоях способствует затупление режущего инструмента.
При отрицательном переднем угле и больших скоростях резания (v > 300 м/мин) получаются сжимающие остаточные напряжения у поверхности. При некоторых условиях скоростного резания (с большими отрицательными углами) у сталей, хорошо воспринимающих закалку, в поверхностном слое наблюдается переход аустенита в мартенсит. Такой переход, сопровождающийся увеличением объема, способствует образованию сжимающих остаточных напряжений и компенсирует влияние теплового фактора.
Интересный опыт был проведен при точении жаропрочного сплава ЭИ437А, применяемого для лопаток газовых турбин.
Были определены остаточные напряжения после обычного точения и точения с электроподогревом (при одном и том же режиме точения). Подогрев детали уменьшил температурные напряжения, что привело к переходу растягивающих остаточных напряжений в сжимающие.
Факторы, влияющие на напряжения при шлифовании рассмотрены - тут. Также здесь более подробная информация по расчёту остаточных напряжений.
