Рис, 8.4. Схема возникновения временных и остаточных напряжений при термической обработке

при охлаждении А - (Ф + /7)-превращение связано с изменением удельного объема металла на 1 %, а А -*■ Л4-превращение — с изменением до 4 %. Особенно важно то, что А - Aï-превращение идет при температуре, при которой металл теряет пластичность, свойственную ему при повышенной температуре (например, для нелегированной стали при температуре не выше 450 °С), и происходящие изменения объема вызывают в основном упругие деформации, при затруднении возникновения которых появляются упругие напряжения.

Если упругие изменения объема происходят при нагреве, то возникающие напряжения являются временными, так как они исчезнут, когда весь металл изделия или в какой-либо его части

перейдет в пластическое состояние и будет легко деформироваться в результате имевшихся напряжений. Если упругие изменения объема происходят при охлаждении, то возникающие вследствие этого напряжения являются остаточными (постоянными).

При термической обработке в период нагрева (рис. 8.4, /) за счет одностороннего подвода теплоты (рис. 8.4, с) создается неравномерное распределение температуры между нагретым слоем ' и сердцевиной 2. В сечении А—А это распределение температуры I создает аналогичное неравномерное распределение объема V нагретого слоя 1 и ненагретой сердцевины 2 (рис. 8.4, б). Соответственно этому в изделии возникнут временные напряжения (рис. 8.4, в). После полного прогрева распределение температуры и объема по сечению А—А выравнивается (рис. 8.4, г) и в изделии временные напряжения исчезают.

При охлаждении нагретого изделия (рис. 8.4, //) отвод теплоты с поверхности (рис. 8.4, б) приводит к тому, что распределение температуры и объема металла в сечении А—А станет неравномерным, наружный слой остынет и его объем уменьшится (рис. 8.4, ё). Однако благодаря тому, что в самом наружном слое распределение температуры будет неравномерным, этот градиент температуры и, соответственно, объемов приведет к образованию в остывшем, упругом наружном слое временных напряжений (рис. 8.4, ж). После полного остывания изделия, уменьшение объема сердцевины приведет к созданию остаточных напряжений в сечении изделия (рис. 8.4, з). Такое распределение остаточных напряжений характерно для низкоуглеродистых нелегированных сталей, у которых структурные превращения А - (Ф + П) или, тем более, А - М не вызывают заметных изменений объема.

Для среднеуглеродистых сталей приходится считаться с объемными изменениями в результате структурных превращений. Эти изменения при охлаждении приводят к увеличению объема. Сначала это увеличение происходит только в наружном остывшем слое (рис. 8.4, и). В результате такого распределения объемов возникают временные напряжения (рис. 8.4, к). После полного охлаждения изделия распределение объемов металла только вследствие структурных превращений вблизи сечения А—А будет характеризоваться рис. 8.4, л, а составляющая остаточных напряжений, вызванных только структурными превращениями, — рис. 8.4, м.

Суммарные остаточные напряжения при термической обработке будут определяться суммированием (наложением) остаточных напряжений от теплового изменения объема и структурных изменений. При этом надо иметь в виду, что напряжения от структурных изменений будут зависеть от содержания углерода в стали и скорости охлаждения. Поэтому для среднеуглеродистой стали после закалки суммарные остаточные напряжения будут характеризоваться эпюрой на рис. 8.4, к, а после нормализации — эпюрой на рис. 8.4, о. Для низкоуглеродистой стали после за-