Остаточные напряжения в материалах: типы, причины и практические применения

В твердых материалах остаточные напряжения — это напряжения, сохраняющиеся после устранения их первоначальной причины. Они могут быть как полезными, так и вредными. Непреднамеренные остаточные напряжения могут привести к преждевременному разрушению, в то же время они целенаправленно используются в закаленном стекле для создания больших, тонких, стойких к трещинам и царапинам экранов смартфонов.

Что такое остаточные напряжения?

Остаточные напряжения — это напряжения, сохраняющиеся в материале (часто в сварных соединениях) даже при отсутствии внешних нагрузок или температурных градиентов. Они могут вызывать значительные пластические деформации, приводить к искривлению или деформации материалов, влиять на чувствительность к разрушению и усталости.

Их также называют «заблокированными» напряжениями внутри металлического объекта, свободного от внешних сил. Они возникают, когда одна область металла ограничивает соседнюю, мешая ей сжиматься, расширяться или снимать эластические деформации. Поскольку остаточные напряжения могут быть растяжительными или сжатыми, они сосуществуют внутри компонента.

Причины возникновения остаточных напряжений

Остаточные напряжения возникают, когда объекты нагружаются выше эластического предела, вызывая пластическую деформацию. Основные причины:

• Фазовые превращения при охлаждении от высоких температур
• Поверхностные обработки: эмалирование, гальваническое покрытие, PVD и CVD напыления
• Неравномерная пластическая деформация при нагреве и охлаждении
• Гетероegenность химического или кристаллографического порядка (азотование, цементация)
• Неравномерная деформация при механической обработке: прокатка, штамповка (гибка, вытяжение), механическая обработка, обработка поверхности (шарнирование, роллерная прокатывание)

Тепловые вариации

При охлаждении сварного шва из-за интенсивного тепла возникает большая разница скоростей охлаждения по всему телу, что создает локальные вариации в поверхностных и внутренних слоях. Разные уровни теплового сжатия порождают неравномерные напряжения.

При охлаждении поверхность быстрее остывает, сжимая нагретый центр. Пока центр остывает, он удерживается более холодной внешней оболочкой. Это вызывает остаточные растяжительные напряжения внутри и сжатые — на поверхности.

Механическая обработка

Остаточные напряжения от пластической деформации возникают при механической обработке, когда деформация неравномерна по сечению материала в процессе изготовления: гибка, вытяжение, экструзия, прокатка и др.

При деформации одна часть материала находится в эластичной, другая — в пластичной стадии. При снятии нагрузки эластичная часть стремится восстановиться, но мешает этому соседняя пластически деформированная зона.

Фазовое превращение

При фазовом превращении объем новой фазы отличается от объема окружающего материала, еще не претерпевшего превращение. Эта разница объемов вызывает расширение или сжатие, порождая остаточные напряжения.

Влияние остаточных напряжений

Остаточные напряжения могут быть полезны или вредны в зависимости от знака (растяжение или сжатие). Растяжительные остаточные напряжения могут вызывать искривление или трещины. Они необходимы для усталостного разрушения и коррозионного трещинообразования, так как алгебраически суммируются с приложенными напряжениями. Поверхностные растяжительные напряжения в сочетании с приложенными снижают надежность материала и могут вызвать коррозионное трещинообразование.

Поверхностные сжатые остаточные напряжения, наоборот, снижают действие приложенных растяжительных напряжений, повышают усталостную прочность и стойкость к коррозионному трещинообразованию.

Положительный эффект достигается целенаправленным внедрением остаточных напряжений в конструкцию, например, лазерным закаливанием, которое создает сжатые напряжения на поверхности, усиливая хрупкие поверхности или тонкие сечения.

Отрицательные эффекты: остаточные напряжения часто невидимы для производителей, пока не вызывают значимых искривлений. Целостность конструкций может страдать: сварные толстостенные конструкции более склонны к хрупкому разрушению, чем конструкции после снятия напряжений.

Типы остаточных напряжений

Растяжительные остаточные напряжения

Снижают усталостную прочность и ведут к усталостному разрушению. Часто являются побочным эффектом агрессивного шлифования, вызывающего рост трещин. Могут возникать при усадке, посадке, гибке или кручении. Кручение остается в отливках как остаточное напряжение, способное вызвать трещины на поверхности. Коррозионное трещинообразование возникает именно при наличии растяжительных остаточных напряжений.

Сжатые остаточные напряжения

Повышают усталостную прочность и стойкость к коррозионному трещинообразованию. Целенаправленно создаются процессами: шарнирование, лазерное закаливание, роллерная прокатывание с низкой пластичностью, аутофретаж. Материал упрочняется или холодно деформируется. Главная цель — компенсировать вредное действие растяжительных напряжений. Тепловая обработка (напряжение-снятие отжиг) также используется для уменьшения растяжительных остаточных напряжений.

Классификация по масштабу

Тип 1 — Макро-остаточные напряжения

Развиваются в зернах. Любое изменение равновесия вызывает изменение макроскопических размеров. Процессы, вызывающие неравномерное распределение деформаций, порождают напряжения типа 1.

Тип 2 — Микро-остаточные напряжения

Развиваются внутри отдельного зерна. Различаются по величине в разных зернах. Мартенситное превращение эффективно их порождает. При неполном превращении аустенита объем мартенсита больше, что создает различные остаточные напряжения.

Тип 3 — Субмикро-остаточные напряжения

Развиваются на расстоянии нескольких атомных диаметров от границы зерна. Причиной являются кристаллические дефекты: вакансии, дислокации и др.

Методы измерения остаточных напряжений

Существует несколько техник, разделенных на три категории: разрушающие, полуразрушающие и неразрушающие. Выбор зависит от требуемой информации.

Разрушающие методы

Проводятся путем разрушения измеряемого объекта. Обычно для НИОКР. Дешевле неразрушающих методов.

Контурный метод

Объект разрезают пополам и измеряют карты высот поверхностей относительно созданной плоскости разрез. Метод определяет деформации от распределения остаточных напряжений и вычисляет их через эластичную КЭ-модель. Результат — 2D-карта напряжений, нормальных к плоскости измерения.

Разрезающий метод (Slitting)

Измеряет остаточные напряжения через толщину нормально к плоскости разрез. Делают тонкую щель с нарастающей глубиной через толщину детали. Деформация от глубины щели измеряется, а напряжения вычисляются через обратную задачу, используя измеренные деформации.

Полуразрушающие методы

Похожи на разрушающие, используют принцип релаксации деформаций, но удаляют мало материала, сохраняя целостность конструкции.

Метод глубокого сверления

Сверлят отверстие сквозь толщину, измеряют диаметр. Вырезают кольцевой канал вокруг отверстия, удаляют сердечник, повторно измеряют диаметр. Остаточные напряжения определяются по геометрическому изменению.

Метод центрального отверстия

Сверлят маленькое отверстие. При удалении материала с остаточными напряжениями оставшаяся часть достигает нового равновесия. Деформации вокруг отверстия ассоциируются с исходными напряжениями. Измеряют тензодатчиками или оптическими методами. Исходные напряжения вычисляют из измеренных деформаций.

Неразрушающие методы

Основаны на измерении влияния остаточных напряжений на изменение кристаллической решетки.

Нейтронная дифракция

Нейтроны измеряют межплоскостные расстояния в кристаллической решетке. Энергия нейтронов сравнима с энергией падающих нейтронов, что позволяет определить остаточные напряжения по расстояниям в решетке.

Синхротронная рентгеновская дифракция

Синхротрон разгоняет электромагнитное излучение для определения истинной толщины и межплоскостных расстояний. Используется подход, аналогичный нейтронной дифракции.

Рентгеновская дифракция

Измеряет поверхностные остаточные напряжения, так как рентгеновское излучение проникает всего на несколько сотен микрон.

Контроль остаточных напряжений

Управление остаточными напряжениями важно для материалов, работающих при усталости или коррозионном трещинообразовании, или если напряжения достаточно велики для деформации или трещин.

Контроль достигается механическими обработками: шарнирование, легкая холодная прокатка, растяжение. Небольшие сжатия создают сжатые остаточные напряжения на поверхности. Тепловая обработка для снятия напряжений, контроль процесса закалки и выбор сплава — другие методы.

Так как предел текучести металла снижается с ростом температуры, металлы можно разгрузить нагреванием до температуры, где предел текучести равен или меньше величины остаточных напряжений. Тогда происходит микропластическая деформация, снимающая часть напряжений. После снятия максимальные остаточные напряжения равны пределу текучести при температуре отжига.

Остаточные напряжения можно снизить, используя более низкие скорости охлаждения для выравнивания температурных полей, чтобы фазовые превращения происходили более равномерно по сечению. С этой точки зрения можно выбирать сплавы с более медленным охлаждением, сохраняя нужные фазовые превращения.

Заключение

Остаточные напряжения могут быть полезны или вредны. Они могут сокращать срок службы материала или целенаправленно внедряться для получения желаемых свойств. В статье рассмотрены определение, типы, причины, воздействие, контроль и методы измерения остаточных напряжений.