Остаточные напряжения в металлопродукции

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
В МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

Допущено 
учебно-методическим объединением по образованию
в области металлургии в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению «Металлургия» 

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.77.01(075.8)
ББК 34я-18я73
          Б91
Рецензенты:
кафедра подъемно-транспортного оборудования Российского 
государственного профессионально-педагогического университета 
(проф., д-р техн. наук В. В. Каржавин);
начальник Центра исследований и разработок ОАО «Первоуральский 
новотрубный завод», канд. техн. наук А. В. Серебряков

Буркин, С. П.
Б91     Остаточные напряжения в металлопродукции [Электронный
ресурс]: учебное пособие / С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А.
Андрюкова. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017.
—  248 с.

ISBN 978-5-9765-3056-0 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1506-2 (Изд-во Урал. ун-та)

Приведен обзор описанных в литературе работ в области остаточных 
напряжений в металлах. Рассмотрены общие вопросы, касающиеся остаточных 
напряжений в металлопродукции различных видов. Описаны методы измерения, 
расчета, управления величиной остаточных напряжений. Представлены 
некоторые новые разработки в области методик снижения остаточных напряжений 
в металлопродукции.
Предназначено для студентов (бакалавров и магистров), обучающихся по

направлениям УГН 22.00.00 — Технологии материалов, 150400 — Металлургия.

Библиогр.: 112 назв. Табл. 8. Рис. 50.
УДК 621.77.01(075.8)
ББК 34я-18я73

ISBN 978-5-9765-3056-0 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1506-2 (Изд-во Урал. ун-та)
© Уральский федеральный 
     университет, 2015

Оглавление

Об авторе ............................................................................................5

Памяти Сергея Павловича Буркина .................................................6

Введение ............................................................................................9

1. Природа остаточных напряжений. Классификация ..................12

2. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные 
     свойства металлоизделий ............................................................33

3. Экспериментальные методы определения наличия 
     и уровня остаточных напряжений в металлоизделиях ..............49

3.1. Химические методы анализа остаточных напряжений ......51
3.2. Механические методы анализа остаточных напряжений...58
3.3. Рентгенографические методы определения остаточных 
        напряжений в металлах ...................................................... 105
3.4. Поляризационно-оптический метод (метод 
        фотоупругости) .................................................................. 121
3.5. Метод оптически чувствительных покрытий.................... 124
3.6. Метод голографической интерферометрии ...................... 124
3.7. Метод электронной спекл-интерферометрии .................. 128
3.8. Акустические методы ......................................................... 130
3.9. Метод твердости ................................................................. 137
3.10. Магнитные методы ........................................................... 142

4. Теоретическое описание распределения остаточных 
     напряжений в объеме металлоизделий .................................... 144

4.1. Теорема о разгрузке ............................................................ 144
4.2. Метод решения связанных задач 
        термоупругопластичности ................................................. 151
4.3. Конечно-элементная постановка задачи определения 
        остаточных напряжений в холоднодеформированных 
        трубах и прутках ................................................................. 166

С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

5. Остаточные напряжения в холоднодеформированных 
     проволоке, прутках и трубах и влияние параметров 
     обработки ................................................................................... 178

5.1. Остаточные напряжения в проволоке ............................... 178
5.2. Остаточные напряжения в трубах ...................................... 193

6. Технологические приемы, направленные на снижение 
     уровня и перераспределение остаточных напряжений 
     в проволоке и трубах ................................................................. 198

6.1. Термические методы снижения остаточных 
        напряжений ........................................................................ 199
6.2. Механические методы снижения остаточных 
        напряжений ........................................................................ 213
6.3. Технологические приемы, направленные на снижение 
        остаточных напряжений в холоднотянутых 
        металлоизделиях ................................................................ 221

Заключение .................................................................................... 238

Библиографический список ......................................................... 239

Об авторе

БУРКИН СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

Сергей Павлович Буркин родился 19 июля 
1941 г. в г. Верхний Уфалей Челябинской 
области в семье служащих. В 1960 году окончил техническое училище № 5 (г. Свердловск) 
по специальности слесаря по ремонту промышленного оборудования. Работал (1960–1962 гг.) 
в цехе № 82 Уралмашзавода слесарем-ремонтником 5 разряда. Служил (1962–1965 гг.) в Советской Армии механиком по вооружению самолетов дальней авиации. 
В 1969 г. окончил Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова с квалификацией инженер-металлург. Работал лаборантом (1965–
1966 гг.), техником-механиком (1967 г.), инженером (1967–1968 гг.), 
старшим инженером (1968–1970 гг.), старшим научным сотрудником 
(1970–1974 гг.), доцентом (1974–2005 гг.) и профессором кафедры 
ОМД (2005 г.). Кандидат технических наук (1972 г.), старший научный сотрудник (1974 г.), академический советник Академии инженерных наук РФ.
Основные направления научной деятельности — разработка и исследование технологических процессов прямого совмещения операций и процессов металлургического производства и процессов комбинированного нагружения при обработке металлов давлением.
Подготовил 5 кандидатов наук. Имеет 120 авторских свидетельств 
и патентов РФ на изобретения. Автор 430 печатных работ, в т. ч. 6 монографий, учебников и учебных пособий.
Почетный работник высшего профессионального образования РФ 
(2000 г.). Награжден многими медалями, в т. ч. ВДНХ.

С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

Памяти Сергея Павловича Буркина

П

ятьдесят лет назад, в 1964 году, я поступил в заочную аспирантуру к профессору Тарновскому И.Я, и он направил 
меня в группу к тогда еще доценту Леванову А. Н. В группе 
велись работы по экспериментальному исследованию контактных напряжений в процессах прокатки, штамповки и осадки, оставалось волочение. В аспирантуру я был направлен из ВНИИМетиза (институт 
проволоки), процесс волочения был мне знаком, и я сразу начал сотрудничать с участниками этой группы. Алексей Николаевич Леванов 
был не формальным, а фактическим руководителем, который ставил 
задания на очень короткие сроки и ежедневно осмысливал результаты.
Экспериментальные исследования волочения оказались очень 
сложными в силу специфики процесса и продвигались очень медленно. В 1966 году заведующий кафедрой Тарновский Иосиф Яковлевич предложил мне перейти в очную аспирантуру. Я получил место 
в общежитии и теперь целые дни проводил в лаборатории кафедры, 
где и начал близко сотрудничать с Буркиным Сергеем Павловичем, 
к тому времени демобилизовавшимся из Советской Армии и учившимся на вечернем отделении УПИ.
С самого начала своей трудовой деятельности на кафедре Буркин С. П. оказался ценнейшим сотрудником, так как имел заводской 
(уралмашевский) опыт механосборочных работ, навыки слесаря-универсала после окончания технического училища. У меня, например, 
до этого только на первом курсе в первом полусеместре был ХОМ (холодная обработка металла), где я сделал молоток.
Прежде всего Сергей Павлович навел порядок в инструменте. Появились все необходимые сверла, метчики и плашки. Но остро стояла 
нехватка металлообрабатывающих станков. Да и не было места для их 
размещения. Глядя на то, как рядом с лабораторией, расширяя столовую химфака, делают пристрой, я предложил идею таким же образом 
расширить площадь лаборатории. Сергей Павлович меня активно поддержал, и нам удалось этой идеей зажечь заведующего кафедрой. Про

Памяти Сергея Павловича Буркина

ект был сделан, финансирование выделил институт при условии нашей рабочей силы. И мы ее обеспечили. Но только Сергей Павлович 
все время строительства не снимал с себя рабочую спецовку и сапоги, 
а штрабу (паз в кирпичной стене) для установки потолочных плит вырубил отбойным молотком лично. В память о том незабываемом времени у меня сохранился армейский ремень со звездой на пряжке, который как-то подарил мне Сергей Павлович. Когда я вспоминаю Сергея 
Павловича, то его облик именно этого времени встает передо мной — 
коренастый, физически очень развитый (он мастер спорта по акробатике), в одежде, забрызганной цементом, и с обаятельной улыбкой.
В итоге кафедра получила дополнительно три комнаты для исследователей и примерно 60 квадратных метров для механической мастерской. У кафедры были хорошие связи с производственниками, и вскоре в мастерской стояли станки токарные, строгальный, фрезерный, 
сверлильный и верстаки для слесарных работ. На токарных станках 
работал штатный токарь, а на всем остальном — умел работать Буркин С. П. Нужно сказать, что по вечерам у него были занятия на вечернем факультете. Учеба никаких затруднений не вызывала, и диплом 
он защитил по результатам своих исследовательских работ, ведущихся в лаборатории.
Необходимо подчеркнуть, что немало времени у него отнимала 
общественная работа. В армии Сергей Павлович служил механиком 
по вооружению самолетов дальней авиации, очевидно, хорошо служил, и вернулся в УПИ кандидатом в члены КПСС. Наиболее заметной 
общественной нагрузкой у него в то время была работа в участковой 
избирательной комиссии. Будучи членом КПСС, стал председателем 
совета ОПП студентов (общественно-политическая практика). Общественная работа была обязательным атрибутом той нашей жизни.
Буркин С. П. стал в лаборатории стержнем, вокруг которого образовалась группа молодых людей — Бреньков А. В., Солошенко В. М., Щипанов А. А., Суворков В. В., Янушевский Л. В., Соколовский М. В. Практически все они учились в УПИ, занимались 
исследованиями в лаборатории. Радужными перспективами был усеян горизонт.
Но тут жизнь повернулась другим боком. В университете г. Аннаба (Алжир) на кафедре обработки металлов потребовался преподаватель ОМД. Многие изъявили желание поехать туда, но выбрали Буркина С. П. Он проходил по возрасту и здоровью, а сам он этот выбор 

С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

объяснял тем, что как член КПСС будет платить партийные взносы 
в Аннабе в валюте. Уезжал он на два года и на вокзале перед посадкой 
в московский поезд просил меня сохранить коллектив лаборатории. 
Сделать это было не просто, нужны были хозяйственные договора. Однако два года мы продержались. Но тут — он остался еще на два года. 
Группа держалась из последних сил. Четыре года держаться на инженерных и лаборантских ставках было сложно, у всех появились семьи.
Сергей Павлович был неутомимым тружеником. Не случайно, когда в 1974 году Леванов А. Н. собирал авторский коллектив для второй 
монографии по контактным напряжениям, он поставил его на второе 
место после себя. До конца жизни Буркин С. П. непрерывно работал, 
принимая прорывные решения в области ОМД. На книжной полке 
у меня стоят еще пять монографий, написанных под его руководством 
в последние годы жизни, общий объем которых составил 2065 страниц.
В заключение хочу сказать, что я благодарен судьбе за то, что она 
свела меня с таким человеком. Память о Сергее Павловиче Буркине 
долго будет жить в сердцах его соратников, учеников, друзей, а прежде 
всего в его научных трудах, в установках, сделанных его руками. Особенно я вспоминаю Сергея Павловича каждый раз, когда сажусь проектировать какое-либо устройство и достаю миллиметровую бумагу. 
Сергей Павлович говорил: «Молодцы американцы — придумали такую бумагу. Можно на коленке в масштабе сделать чертеж». Я думал, 
откуда это, а потом понял — еще в технических училищах учили делать эскизы на писчей бумаге, линованной в клетку, мягким карандашом. Все свои замечательные проекты он сделал «с нуля» на миллиметровке, воплощая затем в металле и достигая научного результата.

Б. Р. Картак
доцент кафедры ОМД УрФУ

Введение

П

од технологией производства любых металлоизделий следует понимать лишь ту совокупность металлургических 
переделов, операций и приемов, которая гарантированно 
обеспечивает получение продукции надлежащего качества. При этом 
качество должно быть строго определено регламентированной совокупностью количественных показателей, измерение которых возможно с необходимой точностью при существующем на данном этапе развития метрологическом обеспечении.
При изучении причин, вызвавших ухудшение качества металлургической продукции, в частности стальных труб, или в поисках возможности его улучшения следует в качестве первого этапа исследования 
принимать выявление влияния металлургического отклонения качества исходного металла от номинала. Затем следует убедиться в правильности режима термической обработки исходных заготовок. Вторым этапом исследований можно назвать саму технологию обработки 
давлением. Только третьим этапом выявления причин ухудшения качества, особенно холоднодеформированной металлопродукции, можно назвать исследование остаточных напряжений, возникающих при 
деформации, термической обработке, отделке, хранении и машиностроительном применении металлоизделий.
Остаточными или предварительными или технологическими называют напряжения, существующие в конструкции или в отдельных 
ее элементах при отсутствии внешних силовых, тепловых и других 
воздействий. В технике для обозначения остаточных напряжений используют также названия технологических процессов, после которых 
они проявляются: сварочные напряжения, закалочные напряжения, 
деформационные, напряжения правки или отделки продукции. Остаточные (предварительные) напряжения играют значительную роль 
в природе и технике. Человек издавна научился пользоваться их полезными свойствами. Умелое применение внутреннего напряженно

С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

го состояния в материалах и конструкциях может дать большие выгоды их создателям.
К сожалению, отрицательную роль остаточные напряжения играют чаще, чем хотелось бы. В технике достаточно примеров разрушений, вызванных большими технологическими напряжениями. Одни 
из наиболее частых со значительными экологическими последствиями — это разрушения трубопроводов, в которых образуются трещины 
длиной иногда до нескольких десятков километров. Внезапные разрушения строительных конструкций, появление и развитие трещин 
на лобовых стеклах автомобилей, дорогостоящих заготовках крупногабаритных зеркал телескопов, хрустальной посуде, саморазрушение 
огнеупорных блоков для стенок стекловаренных печей, лежащих в спокойном состоянии на складе… Многие из нас могли бы продолжить 
этот перечень. В сущности, такие дорогостоящие разрушения и породили научное направление по изучению остаточных технологических 
напряжений и способов их регулирования [1].
Одной из причин Чернобыльской трагедии называют влияние остаточных напряжений в трубках тепловыделяющих элементов, выполненных из циркония, на работоспособность конструкции реактора. 
Утверждают, что завод-изготовитель внес изменение в процесс термомеханический обработки, не согласуя эти изменения с потребителем. В результате часть трубок разрушилась в процессе эксплуатации, 
вызвав утечку радиоактивного вещества и последующую аварию. Это 
обстоятельство говорит о важности и необходимости анализа ситуаций, возникающих в производстве и эксплуатации полуфабрикатов 
с наличием остаточных напряжений.
Чаще всего совершенствование технологии металлообработки 
предполагает борьбу с остаточными напряжениями. Однако они могут быть как опасными для эксплуатационных свойств изделий, так 
и являться весьма эффективным средством повышения многих характеристик металла. Наличие остаточных напряжений в изделиях может 
вызвать коробление, растрескивание из-за коррозии, хрупкое разрушение, понижение предела упругости материла, изменение предела усталости и т. д. Самопроизвольное коробление изделий наблюдается даже 
при продолжительном вылеживании их без применения. Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях особенно вредны 
для металлоизделий, работающих при знакопеременной нагрузке, так 
как такие напряжения способствуют усталостному разрушению (уста

Введение

лостная трещина, как правило, зарождается на поверхности изделия). 
Вредное действие остаточных напряжений сказывается и в повышении общей химической активности металла. Особенно вредно усиление межкристаллитной коррозии под действием растягивающих остаточных напряжений (сезонное растрескивание латуни) [2].
В то же время в результате исследований [3] установлено, что благоприятное распределение остаточных напряжений в изделиях может 
повысить их вибрационную и усталостную прочность. Поверхность изделий, как правило, является наиболее «слабой» зоной, поэтому любая обработка, которая приводит к возникновению и росту поверхностных сжимающих напряжений, будет благоприятно сказываться 
на эксплуатационных свойствах изделий.
Следовательно, в разработке любой технологии производства металлоизделий усилия должны направляться не на борьбу с остаточными напряжениями, а на их оптимальное управление, т. е. на поиск 
таких распределений напряжений, которые гарантированно улучшают эксплуатационные свойства изделий. Без сомнения, такая оптимизация технологий трудна из-за многообразия причин порождения 
остаточных напряжений и сложности механизмов их измерения при 
неоднородных полях деформаций и температур, при фазовых превращениях и структурных перестройках металлов и сплавов [4].
В последнее время выполнено много исследований остаточных 
напряжений в металлах после механической, термической и химической обработок.
Однако данные о величине и распределении остаточных напряжений в металлопрокате и в металлоизделиях различного назначения, 
получаемых в условиях массового металлургического производства, 
почти отсутствуют, а имеющиеся примеры о наличии напряжений 
не увязаны с технологией производства и эксплуатационными свойствами [5].

1. Природа остаточных напряжений. 
Классификация

В

первые на проявление остаточных напряжений в деформированном металле обратили внимание Биобер и Людерс 
в 1836 году [6]. Позднее Гартман продемонстрировал свой 
опыт: при растяжении или сжатии полированного образца на его поверхности появляется отчетливая игра света в виде сетки на волнующейся жидкости. В 1857 году было замечено, что в металле при определенных условиях литья и последующего остывания развиваются 
внутренние напряжения.
В России первым занялся исследованием остаточных напряжений 
в чугуне и стали Н. В. Калакуцкий, который еще в позапрошлом веке 
отметил, что остаточные напряжения внешне проявляют себя через 
изменение геометрических размеров частей изделия при его разделении на части [7]. Внутреннее проявление остаточных напряжений связано с изменением межатомных расстояний, которое может быть обнаружено рентгеновскими методами.
Общим свойством остаточных напряжений является то, что они 
всегда бывают чисто упругими, даже если возникают в результате пластической деформации. Эти напряжения могут быть сняты или ослаблены способами, которые приводят к уменьшению упругих деформаций, соответствующих остаточным напряжениям, с последующим 
рассеиванием упругой потенциальной энергии, накопленной в материале. Но это может сопровождаться пластической деформацией и новыми остаточными напряжениями [6].
Анализируя рентгеновские данные об изменении межатомных расстояний, Н. Н. Давиденков предлагает разделить остаточные напряжения в изделиях на три рода [8]:

1. Напряжения первого рода, уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела (в макрообъемах).