У процесу обраде и производње материјала, заостало напрезање је уобичајена појава, која има значајан утицај на перформансе и век трајања материјала. Разумевање узрока заосталих напрезања, карактеристика просторне дистрибуције и његовог утицаја на својства материјала, за побољшање квалитета производа, спречавање безбедносних незгода је од великог значаја.
И. Узроци резидуалног напрезања
Преостали напон се односи на крај обраде материјала, радни предмет и даље задржава унутрашњи напон. Овај стрес углавном настаје из следећих аспеката:
1. Неуједначена пластична деформација
Када је радни предмет подвргнут сложеним оптерећењима (као што су хладно ваљање, извлачење, екструзија и површинско бризгање, ваљање, итд.), због неуједначене силе на попречном- пресеку, место велике силе може да произведе пластичну деформацију, док место мале силе и даље може бити еластична деформација. Када су растерећене, ове неуједначене пластичне деформације могу довести до заосталих напрезања унутар радног предмета. Конкретно, растегнута подручја су подвргнута тлачним напонима након растерећења, док су суседна подручја подвргнута затезним напонима. Ово заостало напрезање због неуједначене пластичне деформације је уобичајен облик напрезања у процесима обраде.
2. Топлотни ефекти нехомогеног температурног поља
У термичкој обради, процеси грејања и хлађења су обично веома сложени, укључујући брзо загревање и хлађење, као и локализовано грејање и хлађење. Пошто се топлота може преносити само преко површине, радни предмет ће имати разлике у термичком ширењу због температурне нехомогености током загревања и хлађења, што заузврат генерише пролазна топлотна напрезања. Када вредност ових пролазних топлотних напона пређе границу течења материјала при високим температурама, у одређеним областима долази до пластичне деформације. Када се процес загревања заврши, иако се радни предмет охладио на собну температуру, заостали напони се стварају унутар радног предмета због неуједначене пластичне деформације током процеса загревања. Таква заостала напрезања због неуједначених температурних поља су нарочито честа у процесима термичке обраде.
3. Ефекти фазног прелаза
Током обраде материјала, промене у металуршкој организацији (нпр. трансформација аустенита у мартензит током гашења) доводе до промена унутрашње специфичне запремине материјала, што заузврат генерише напоне фазног прелаза. Овај фазни прелазни напон ће такође остати унутар радног предмета након обраде, формирајући заостало напрезање.
Друго, просторна дистрибуција карактеристика резидуалног напрезања
Просторна дистрибуција заосталог напрезања зависи од његовог узрока и специфичних услова обраде. Уопштено говорећи, резидуални напон се може поделити у три категорије: макро резидуални напон, микро резидуални напон и ултра-микро резидуални напон.
1. Макро резидуални напон
Макроскопско заостало напрезање је у радном комаду у целини или макро опсегу заосталог напона да би се постигла равнотежа. Расподела овог напона је обично равномернија, укупни учинак радног комада има већи утицај. У процесу, због неуједначене пластичне деформације или неуједначеног температурног поља топлотног ефекта, радни предмет ће произвести макро затезни или тлачни заостали напон.
2. Микро резидуални напон
Микроскопски резидуални напони су заостали напони који достижу равнотежу унутар неколико зрна унутар радног комада. Расподела овог напрезања је обично сложенија, као и облик, величина и оријентација зрна и други фактори. Током пластичне деформације, микроскопски заостали напони затезања или притиска настају услед интеракција зрна и присуства граница зрна. Ова напрезања имају важан утицај на локална својства материјала, као што су чврстоћа на замор и брзина ширења пукотина.
3. Ултра-микроскопски резидуални напон
Ултра-микроскопски резидуални напон је велики број атомских површина у радном комаду, атомских стубова близу равнотеже заосталог напона. Расподела овог напрезања је сложенија, а повезана је са микроструктуром материјала и дефектима и другим факторима. Током фазних трансформација, ултрамикроскопски заостали напони на затезање или притисак настају услед изобличења и дефеката решетке. Ови напони утичу на физичка и хемијска својства материјала.
Карактеристике просторне дистрибуције заосталих напона не зависе само од њихових узрока, већ су и уско повезане са специфичним условима процеса. На пример, током процеса заваривања, заварени шав и његове суседне области се брзо загревају и хладе, што резултира сложеном расподелом заосталих напона у овим областима. Нехомогеност ових расподела напона може имати важан утицај на чврстоћу и жилавост шава.
Треће, утицај заосталог напрезања на својства материјала
Преостало напрезање има значајан утицај на механичка својства материјала. Што се тиче чврстоће течења, када постоје заостали затезни напони унутар материјала, то ће смањити чврстоћу течења материјала, чинећи материјал склонијим пластичној деформацији. Супротно томе, заостала тлачна напрезања у извесној мери повећавају границу течења материјала. За затезну чврстоћу, присуство заосталог напона ће променити дистрибуцију напона материјала у процесу затезања, утичући тако на његову затезну чврстоћу. Поред тога, заостало напрезање ће такође утицати на пластичност, жилавост и тврдоћу материјала и друге показатеље. На пример, заостали напон затезања повећава издужење материјала, док заостали напон притиска смањује издужење материјала. Што се тиче тврдоће, заостали напон затезања смањује мерење тврдоће, док заостали напон притиска повећава мерење тврдоће.
Ефекат заосталог напрезања на век трајања материјала је још критичнији. Под дејством наизменичног оптерећења, заостало затезно напрезање ће бити суперпонирано са примењеним оптерећењем, убрзавајући настанак и ширење пукотина, значајно смањујући век трајања материјала. Због тога, у пројектовању и производњи механичких делова, утицај заосталог напрезања се мора у потпуности узети у обзир како би се избегао отказ услед замора изазваног прекомерним заосталим напрезањем.
2. Утицај на физичка својства
Заостали напон ће такође утицати на физичка својства материјала. На пример, у смислу коефицијента топлотног ширења, заостало напрезање ће променити унутрашњу решеткасту структуру материјала, што заузврат утиче на његове карактеристике топлотног ширења. Када су заостала напрезања присутна у материјалу, коефицијент топлотног ширења може да се промени, што у неким применама осетљивим на температуру (нпр. системи термичке контроле у ваздухопловству) може довести до проблема са уклапањем компоненти. Поред тога, заостало напрезање утиче на топлотну и електричну проводљивост материјала. Студије су показале да заостала напрезања могу да искриве атомски распоред унутар материјала, повећавајући вероватноћу расејања фонона и електрона, чиме се смањују топлотна и електрична проводљивост материјала. У електронским уређајима, где су дисипација топлоте и електрична проводљивост критични, овај ефекат преосталог напрезања може довести до смањења топлотне ефикасности и повећања отпора уређаја, што заузврат утиче на перформансе и стабилност уређаја.
