Понимание различных типов остаточного напряжения

В твердых материалах остаточное напряжение — это напряжения, которые остаются в них после устранения их первоначальной причины напряжения. Остаточное напряжение может быть бесполезным и полезным в материале. то есть это может быть желательно или нежелательно. Непреднамеренное остаточное напряжение в материале может привести к его преждевременному выходу из строя, в то время как его можно использовать в закаленном стекле, чтобы сделать большие, тонкие, устойчивые к трещинам и царапинам очки для смартфонов.

Сегодня мы рассмотрим определение, применение, типы, причины, следствия, диаграмму, контроль и способы измерения остаточных напряжений.

Что такое остаточное напряжение?

Остаточное напряжение — это напряжение, которое остается в материале (обычно в сварном компоненте) даже при отсутствии внешней нагрузки или градиента температуры. Остаточные напряжения могут привести к значительной пластической деформации, что может привести к деформации или короблению материалов. В некоторых случаях они могут повлиять на склонность к разрушению и усталости.

Остаточные напряжения также называются заблокированными напряжениями внутри металлического объекта, даже если объект свободен от внешних сил. Напряжения могут привести к тому, что одна область металла будет ограничена соседними областями от сжатия, расширения или ослабления упругих деформаций. Поскольку остаточные напряжения могут быть растягивающими или сжимающими, они могут сосуществовать внутри компонента.

Каковы причины остаточного напряжения?

Остаточные напряжения возникают, когда объекты или компоненты подвергаются нагрузке, превышающей их предел упругости, что приводит к пластической деформации. Пластическая деформация может быть вызвана следующим:

• Фазовые превращения при охлаждении от повышенных температур.
• Обработка поверхности, например эмалирование, гальваническое покрытие PVD и CVD.
• Неравномерная пластическая деформация при нагреве и охлаждении.
• Неоднородность химического или кристаллографического порядка (азотирование или цементация)
• Непластическая деформация при механической обработке, такой как прокатка, формообразование (гибка или волочение), механическая обработка и механическая обработка поверхности (дробеструйная обработка и полирование).

Ниже приведены три причины остаточного напряжения:

Тепловые варианты:

Термическое изменение - это когда объект охлаждается от температуры, это часто происходит в сварном соединении из-за интенсивного использования тепла для соединения. Из-за этого существует большая разница в скорости охлаждения по всему телу, что приводит к локальным изменениям поверхности и внутренней части материала. Этот другой уровень термического сжатия создает неравномерные напряжения внутри объекта.

При охлаждении поверхность остывает быстрее, а нагретый материал сжимается в центре. В то время как центральной части материала требуется время для охлаждения, она ограничена более холодным внешним материалом. Это приводит к тому, что внутренняя часть имеет остаточное напряжение растяжения, а внешняя часть материала будет иметь остаточное напряжение сжатия.

Механическая обработка:

Остаточные напряжения, возникающие вследствие пластической деформации, вызваны механической обработкой. Это происходит, когда пластическая деформация неравномерна по поперечному сечению материала, подвергающегося производственному процессу, такому как гибка, волочение, выдавливание, прокатка и т. д.

В процессе деформации одна часть материала эластична, а другая пластична. Так, при снятии нагрузки материал пытается восстановить упругую часть деформации. Однако полное восстановление затруднено из-за соседнего пластически деформированного материала.

Фазовое преобразование:

Фазовое превращение - еще один способ вызвать остаточное напряжение. Это происходит, когда материал претерпевает фазовое превращение, то есть разница объемов между вновь образовавшейся фазой и окружающим материалом, который еще не претерпел фазового превращения. Эта разница в объеме вызывает расширение или сжатие материала, что приводит к остаточному напряжению

Каковы последствия остаточного напряжения?

Остаточные напряжения полезны в некоторых ситуациях, в зависимости от того, является ли напряжение растягивающим или сжимающим. Растягивающие остаточные напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать деформацию или растрескивание материалов. Кроме того, растягивающие напряжения необходимы при усталостном и коррозионном растрескивании под напряжением. Это связано с тем, что остаточные напряжения алгебраически суммируются с приложенными напряжениями. Поверхностные остаточные растягивающие напряжения в сочетании с приложенными растягивающими напряжениями могут снизить надежность материала. Кроме того, остаточных растягивающих напряжений иногда бывает достаточно, чтобы вызвать коррозионное растрескивание под напряжением.

Как правило, поверхностные остаточные сжимающие напряжения уменьшают влияние приложенных растягивающих напряжений. Фактически поверхностные сжимающие напряжения способствуют повышению усталостной прочности и устойчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Как уже говорилось ранее, остаточные напряжения бывают положительными или отрицательными, в зависимости от применения. Положительные эффекты получаются при реализации остаточных напряжений в конструкциях некоторых приложений, чего можно добиться с помощью лазерной наплавки. Лазерная обработка придает остаточное сжимающее напряжение поверхности материала. Это упрочняет хрупкие поверхности или укрепляет тонкие срезы.

Как правило, остаточные напряжения также могут приводить к негативным последствиям. Хотя напряжения часто незаметны для производителей, только если они приводят к значительным искажениям. Это может отрицательно сказаться на структурной целостности, например, сварные толстостенные конструкции более склонны к хрупкому разрушению, чем конструкции со снятыми напряжениями.

Виды остаточных напряжений

Ниже приведены различные типы остаточных напряжений:

Растягивающие остаточные напряжения:

Растягивающие остаточные напряжения снижают усталостную прочность и приводят к усталостному разрушению. Обычно они являются побочными эффектами производства, которые приводят к агрессивному шлифованию, вызывающему рост трещин. Они также могут вводить усадку, подгонку, изгиб или кручение. На литых деталях всегда остается кручение в виде остаточных напряжений, которые могут вызвать растрескивание поверхности детали. Кроме того, коррозионное растрескивание под напряжением происходит при наличии остаточных растягивающих напряжений.

Сжимающие остаточные напряжения:

Сжимающие остаточные напряжения повышают как усталостную прочность, так и сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Они могут быть преднамеренно сформированы с помощью таких процессов, как дробеструйная обработка, лазерная обработка, воронение с низкой пластичностью и нагартовка. Деформация материала приводит к затвердеванию или холодной обработке материала. В основном важность создания сжимающих остаточных напряжений заключается в уравновешивании пагубного воздействия растягивающих напряжений. Процесс термообработки, известный как отжиг для снятия напряжения, также используется для уменьшения остаточного растягивающего напряжения.

Остаточные напряжения также можно разделить на три типа:

Остаточное напряжение типа 1:

Эти типы остаточных напряжений известны как макроостаточные напряжения, часто развивающиеся в зернах. Это происходит в результате любого изменения равновесия остаточного напряжения, которое приводит к изменению макроскопических размеров. Обработки или процессы, вызывающие неоднородное распределение деформации, вызывают остаточные напряжения типа 1.

Остаточное напряжение типа 2:

Остаточные напряжения 2-го типа представляют собой микроостаточные напряжения, развивающиеся в одном зерне. Они могут разного размера в разной зернистости. Мартенситное превращение лучше всего подходит для создания этого остаточного напряжения. В процессе превращения получается неполное превращение аустенита. Однако объем мартенсита больше, чем объем аустенита, что приводит к различным формам остаточных напряжений.

Остаточное напряжение типа 3:

Остаточные напряжения типа 3 представляют собой субмикро остаточные напряжения, возникающие в пределах нескольких атомных расстояний от зерна. Их образование вызвано кристаллическими дефектами, такими как вакансии, дислокации и т. д.

посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше об остаточных напряжениях:

Как измерить остаточные напряжения?

Существуют различные методы измерения остаточного напряжения, которые можно разделить на разрушающие, полуразрушающие и неразрушающие. Они часто используются в зависимости от требуемой информации.

Позвольте понять эти методы измерения остаточного напряжения!

Разрушительный:

Методы разрушающего измерения остаточного напряжения выполняются путем разрушения объекта или материала, подлежащего измерению. Как правило, они проводятся в целях исследований и разработок. И это более дешевый метод измерения и обнаружения остаточного напряжения по сравнению с неразрушающим контролем.

Разрушающее тестирование можно проводить двумя способами:

• Контурный метод

Методы контура определяют остаточное напряжение, разрезая объект на две части и измеряя карты высот их поверхности по направлению к свободной плоскости, созданной разрезом. Этот метод определяет деформации, вызванные распределением остаточного напряжения, и используется для определения величины остаточного напряжения с помощью упругой конечно-элементной модели образца. В результате получается двухмерная карта остаточного напряжения, перпендикулярная плоскости измерения.

• Метод разрезания

Методы разрезания — это методы, используемые для измерения остаточного напряжения по толщине по нормали к плоскости, проходящей через объект. Это включает в себя нарезание тонкой щели с шагом глубины по толщине заготовки. Результирующая измеряемая деформация определяется глубиной щели. А остаточное напряжение рассчитывается по положению по толщине, которое определяется путем решения обратной задачи с использованием измеренных деформаций.

Полуразрушающий:

Полуразрушающий метод измерения остаточных напряжений аналогичен разрушающему типу. Это связано с тем, что они используют принцип снятия напряжения для определения остаточного напряжения. Но лишь небольшое количество материала было удалено, а не уничтожено. Это позволяет структуре лучше сохранять свою целостность.

Полуразрушающий контроль также выполняется двумя способами:

• Сверление глубоких отверстий

Глубокое сверление достигается путем просверливания отверстия через толщину материала с измерением диаметра отверстия. Вырезание круглой прорези вокруг отверстия для удаления сердцевины материала вокруг отверстия, а затем повторное измерение диаметра отверстия. Остаточные напряжения обнаруживаются здесь по геометрическому изменению.

• Сверление центрального отверстия

Методы сверления центрального отверстия выполняются путем сверления небольшого отверстия в объекте. Таким образом, когда материал, содержащий остаточное напряжение, удаляется, оставшийся материал достигает нового состояния равновесия. С этим связаны деформации вокруг отверстия. Для измерения деформации вокруг отверстия во время анализа используются тензодатчики или оптические методы. Исходное остаточное напряжение в материале рассчитывается на основе измеренных деформаций.

Неразрушающий:

Неразрушающий — это еще один метод измерения и проверки остаточных напряжений в материале. Он включает в себя измерение влияния отношений между остаточными напряжениями и их материальными изменениями в шаге кристаллической решетки.

Неразрушающий метод можно реализовать тремя способами:

• Дифракция нейтронов

Нейтроны используются для измерения интервала кристаллической решетки в материале. Нейтроны, существующие в объекте, имеют энергию, сравнимую с падающими нейтронами. Это позволяет определить остаточное напряжение по шагу решетки.

• Синхротронная рентгеновская дифракция

Синхротрон используется для ускорения электромагнитного излучения, чтобы обеспечить истинную толщину, которая знает шаг решетки материала. Аналогичный подход к дифракции нейтронов используется для расчета остаточного напряжения.

• Рентгеновская дифракция

С помощью этого метода достигается измерение поверхностного остаточного напряжения, поскольку рентгеновское излучение проникает в поверхность объекта только на несколько сотен микрон.

Как контролировать остаточное напряжение

Контроль остаточного напряжения является обычным явлением для материала, так как это будет полезно, если требуется какое-то напряжение в приложениях. Материалы подвергаются усталостному или коррозионному растрескиванию под напряжением или если остаточные напряжения достаточно велики, чтобы вызвать деформацию или растрескивание компонента.

Контролировать остаточные напряжения можно с помощью механической обработки, такой как дробеструйная обработка, легкая холодная прокатка и растяжение. Небольшие количества сжатия используются для создания остаточных сжимающих напряжений на поверхности компонента. Термическая обработка для снятия напряжений, контроль процесса термообработки и выбор сплава — это другие методы контроля остаточных напряжений.

Поскольку предел текучести металла уменьшается с повышением его температуры, металлы могут снимать напряжения путем нагревания до температуры, при которой предел текучести металла равен или меньше величины остаточного напряжения. Если это произойдет, металл может подвергнуться микроскопической пластической деформации, которая снимет, по крайней мере, часть остаточного напряжения. После снятия напряжения максимальное остаточное напряжение, оставшееся в объекте, будет равно пределу текучести материала при температуре снятия напряжения.

Остаточные напряжения можно уменьшить, используя пониженные скорости охлаждения для ступенчатого изменения температуры, чтобы фазовые превращения могли происходить более равномерно по всему поперечному сечению детали. Ну, это будет основано на перспективе обработки компонентов. В этом случае можно подобрать сплавы с более медленными скоростями охлаждения, при этом желаемые фазовые превращения все же будут происходить.

Заключение

Было замечено, что остаточные напряжения являются позиционными или отрицательными для материала. Они могут возникать и снижать долговечность материала, а также могут целенаправленно реализовываться в объекте для получения определенных остаточных напряжений. В этой статье мы рассмотрели определение, типы, причины, последствия, контроль и способы измерения остаточных напряжений.

Надеюсь, вам понравилось чтение, если да, пожалуйста, прокомментируйте ваш любимый раздел в этом посте. И, пожалуйста, не забудьте поделиться с другими студентами технических специальностей. Спасибо!