Остаточные напряжения - это напряжения, которые остаются в твердом материале после устранения первоначальной причины напряжений. Остаточный стресс может быть желательным или нежелательным. Например, лазерная обработка создает глубокие полезные остаточные напряжения сжатия в металлических компонентах, таких как лопасти вентилятора газотурбинного двигателя, и используется в закаленном стекле для создания больших, тонких, устойчивых к трещинам и царапинам стеклянных дисплеев на смартфонах . Однако непреднамеренное остаточное напряжение в спроектированной конструкции может вызвать ее преждевременный выход из строя.
Остаточные напряжения могут быть результатом различных механизмов, включая неупругие (пластические) деформации, температурные градиенты (во время теплового цикла) или структурные изменения (фазовое превращение). Тепло от сварки может вызвать локальное расширение, которое во время сварки поглощается либо расплавленным металлом, либо размещением свариваемых деталей. Когда готовая сварная деталь остывает, некоторые области остывают и сжимаются сильнее, чем другие, оставляя остаточные напряжения. Другой пример имеет место при изготовлении полупроводников и микросистем [1], когда тонкая пленкаматериалы с различными термическими и кристаллическими свойствами осаждаются последовательно при различных условиях процесса. Изменение напряжения в стопке тонкопленочных материалов может быть очень сложным и может варьироваться от сжимающего и растягивающего напряжений от слоя к слою.
Приложения [ править ]
Хотя неконтролируемые остаточные напряжения нежелательны, некоторые конструкции полагаются на них. В частности, хрупкие материалы могут быть упрочнены за счет включения остаточного напряжения сжатия, как в случае закаленного стекла и предварительно напряженного бетона . Преобладающим механизмом разрушения хрупких материалов является хрупкое разрушение , которое начинается с образования начальной трещины. Когда к материалу прикладывается внешнее растягивающее напряжение , в вершинах трещин концентрируется напряжение., увеличивая локальные растягивающие напряжения, возникающие в вершинах трещин, в большей степени, чем среднее напряжение в массивном материале. Это заставляет начальную трещину быстро увеличиваться (распространяться), поскольку окружающий материал подавляется концентрацией напряжений, что приводит к разрушению.
Материал, имеющий сжимающее остаточное напряжение, помогает предотвратить хрупкое разрушение, поскольку начальная трещина образуется под действием сжимающего (отрицательного растягивающего) напряжения. Чтобы вызвать хрупкое разрушение из-за распространения трещины в исходной трещине, внешнее растягивающее напряжение должно преодолеть остаточное напряжение сжатия до того, как вершины трещины испытают достаточное растягивающее напряжение для распространения.
При изготовлении некоторых мечей используется градиент образования мартенсита для получения особо твердых кромок (особенно катаны ). Разница в остаточных напряжений между более твердой режущей кромкой и мягкой задней части меча дает такие мечи их характеристику [ править ] .
В закаленном стекле сжимающие напряжения создаются на поверхности стекла, уравновешиваясь растягивающими напряжениями в теле стекла. Из-за остаточного напряжения сжатия на поверхности закаленное стекло более устойчиво к трещинам, но при разрушении внешней поверхности оно разбивается на мелкие осколки. Демонстрацию эффекта демонстрирует «Капля принца Руперта»., новинка в области материаловедения, в которой глобула расплавленного стекла закаливается в воде: поскольку внешняя поверхность сначала охлаждается и затвердевает, когда объем охлаждается и затвердевает, она «хочет» занимать меньший объем, чем имеет внешняя «оболочка». уже определено; это заставляет большую часть объема растягиваться, втягивая «кожу» внутрь, помещая «кожу» в сжатие. В результате твердая глобула становится чрезвычайно прочной, по ней можно ударить молотком, но если ее длинный хвост сломан, баланс сил нарушается, в результате чего весь кусок сильно разрушается.
В некоторых типах стволов оружия, изготовленных из двух прижатых друг к другу стволов, внутренняя труба сжимается, а внешняя труба растягивается, предотвращая раскрытие трещин в нарезке при выстреле.
Преждевременный отказ [ править ]
Отливки также могут иметь большие остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения. Остаточное напряжение часто является причиной преждевременного выхода из строя критически важных компонентов и, вероятно, было одним из факторов обрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии, США в декабре 1967 года. Тяги проушины были отливками с высоким уровнем остаточного напряжения, которое в одна перемычка, способствующая росту трещин. Когда трещина достигла критического размера, она катастрофически разрослась, и с этого момента вся конструкция начала разрушаться в результате цепной реакции. Из-за того, что конструкция разрушилась менее чем за минуту, 46 водителей и пассажиров автомобилей на мосту в то время были убиты, когда приостановленная дорога упала в реку внизу. [ необходима цитата ]
Остаточное напряжение сжатия [ править ]
Обычными методами создания остаточного напряжения сжатия являются дробеструйная обработка поверхностей и высокочастотная ударная обработка пальцев приварных швов. Глубина сжимающего остаточного напряжения варьируется в зависимости от метода. Оба метода могут значительно увеличить срок службы конструкций.
Создание остаточного напряжения [ править ]
Есть несколько методов, которые используются для создания равномерного остаточного напряжения в балке. Например, четырехточечный изгиб позволяет добавить остаточное напряжение путем приложения нагрузки к балке с помощью двух цилиндров. [2] [3]
Методы измерения [ править ]
Обзор [ править ]
Существует множество методов, используемых для измерения остаточных напряжений, которые в широком смысле подразделяются на разрушающие, полудеструктивные и неразрушающие методы. Выбор метода зависит от требуемой информации и характера образца для измерения. Факторы включают глубину / проникновение измерения (поверхность или сквозную толщину), масштаб измеряемой длины ( макроскопический , мезоскопический или микроскопический ), разрешение требуемой информации, а также геометрию состава и расположение образца. Кроме того, некоторые методы необходимо выполнять в специализированных лабораторных помещениях, а это означает, что измерения «на месте» невозможны для всех методов.
Разрушительные техники [ править ]
Разрушающие методы приводят к большим и непоправимым структурным изменениям образца, а это означает, что либо образец не может быть возвращен в эксплуатацию, либо необходимо использовать его макет или запасной вариант. Эти методы работают по принципу «снятия напряжения»; разрезание измерительного образца для снятия остаточных напряжений и затем измерение деформированной формы. Поскольку эти деформации обычно являются упругими, существует полезная линейная зависимость между величиной деформации и величиной снятого остаточного напряжения. [4] Разрушительные методы включают:
- Контурный метод [5] - измерение остаточного напряжения на двумерном плоском сечении образца в одноосном направлении, перпендикулярном поверхности, прорезанной через образец проволочным EDM.
- Разрез (соответствие трещин) [6] - измерение остаточного напряжения по толщине образца по нормали к «щели» разреза.
- Удаление / разделение / наслоение блоков [7]
- Скучно Сакса [8]
Полудеструктивные техники [ править ]
Подобно деструктивным методам, они также работают по принципу «снятия напряжения». Однако они удаляют лишь небольшое количество материала, оставляя целостность конструкции нетронутой. К ним относятся:
- Сверление глубоких отверстий [9] - измерение остаточных напряжений по толщине компонента путем снятия напряжений в «керне», окружающем просверленное отверстие малого диаметра.
- Сверление центрального отверстия [10] - измерение приповерхностных остаточных напряжений путем снятия напряжения, соответствующего небольшому неглубокому просверленному отверстию с розеткой тензодатчика . Сверление центрального отверстия подходит для глубины до 4 мм. В качестве альтернативы можно использовать сверление глухих отверстий для тонких деталей. Сверление центрального отверстия также может быть выполнено в полевых условиях для тестирования на месте.
- Кольцевой сердечник [11] - аналогично сверлению с центральным отверстием, но с большим проникновением, и резка происходит вокруг розетки тензодатчика, а не через ее центр.
Неразрушающие методы [ править ]
Неразрушающие методы измеряют влияние соотношений между остаточными напряжениями и их влиянием на кристаллографические свойства измеряемого материала. Некоторые из них работают путем измерения дифракции высокочастотного электромагнитного излучения через межатомную решетку (которая была деформирована из-за напряжения) относительно образца без напряжений. Ультразвуковые и магнитные методы используют акустические и ферромагнитные свойства материалов для выполнения относительных измерений остаточного напряжения. К неразрушающим методам относятся:
- Электромагнитное, также известное как eStress - Может использоваться с широким диапазоном размеров образцов и материалов, с точностью, сравнимой с точностью дифракции нейтронов. Доступны портативные системы, такие как система eStress, которую можно использовать для измерений на месте или установить стационарно для непрерывного мониторинга. Скорость измерения 1-10 секунд на каждую локацию.
- Дифракция нейтронов - проверенный метод, позволяющий измерять толщину, но для которого требуется источник нейтронов (например, ядерный реактор).
- Синхротронная дифракция - требуется синхротрон, но дает такие же полезные данные, как eStress и методы нейтронной дифракции.
- Рентгеновская дифракция - метод ограниченной поверхности с проникновением всего несколько сотен микрон.
- Ультразвук - экспериментальный процесс, который все еще находится в разработке.
- Магнитный - может использоваться с очень ограниченными размерами образцов.
Снятие остаточного напряжения [ править ]
Когда возникает нежелательное остаточное напряжение от предшествующих операций по обработке металла, величина остаточного напряжения может быть уменьшена с помощью нескольких методов. Эти методы можно разделить на термические и механические (или нетепловые). [12] Все методы подразумевают обработку снимаемой детали целиком.
Термический метод [ править ]
Термический метод заключается в равномерном изменении температуры всей детали путем нагрева или охлаждения. Когда детали нагреваются для снятия напряжений, этот процесс также известен как выпечка для снятия напряжений. [13] Охлаждение деталей для снятия напряжения известно как криогенное снятие напряжения и встречается относительно редко. [ необходима цитата ]
Выпечка для снятия стресса [ править ]
Большинство металлов при нагревании испытывают снижение предела текучести . Если предел текучести материала значительно снижается при нагревании, участки внутри материала, которые испытывают остаточные напряжения, превышающие предел текучести (в нагретом состоянии), поддаются или деформируются. Это оставляет материал с остаточными напряжениями, которые не превышают предел текучести материала в его нагретом состоянии.
Обжиг для снятия напряжения не следует путать с отжигом или отпуском , которые представляют собой термическую обработку для повышения пластичности металла. Хотя эти процессы также включают нагрев материала до высоких температур и снижение остаточных напряжений, они также включают изменение металлургических свойств, что может быть нежелательным.
Для некоторых материалов, таких как низколегированная сталь, необходимо соблюдать осторожность во время обжига для снятия напряжений, чтобы не превысить температуру, при которой материал достигает максимальной твердости (см. Закалка легированных сталей ).
Криогенное снятие напряжения [ править ]
Криогенное снятие напряжения включает помещение материала (обычно стали) в криогенную среду, такую как жидкий азот. В этом процессе материал, подлежащий снятию напряжения, будет охлаждаться до криогенной температуры в течение длительного периода, а затем медленно возвращаться к комнатной температуре.
Нетепловые методы [ править ]
Механические методы снятия нежелательных поверхностных растягивающих напряжений и замены их полезными сжимающими остаточными напряжениями включают дробеструйную и лазерную упрочнение. Каждый обрабатывает поверхность материала со средой: дробеструйное упрочнение обычно использует металл или стекло; При лазерной упрочнении используются лучи света высокой интенсивности для создания ударной волны, которая распространяется глубоко в материал.
См. Также [ править ]
- Автофреттаж
- Дробеструйная обработка
- Лазерная обработка
- Полировка с низкой пластичностью
- Обработка высокочастотным ударом
- Методика измерения глубокого сверления (DHD)
- Метод сверления отверстий
Ссылки [ править ]
- ^ Скьявоне, G .; Мюррей, Дж .; Smith, S .; Desmulliez, MPY; Крепление, AR; Уолтон, AJ (1 января 2016 г.). «Метод картирования пластин для остаточного напряжения в поверхностных пленках, подвергнутых микрообработке» . Журнал микромеханики и микротехники . 26 (9): 095013. Bibcode : 2016JMiMi..26i5013S . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 26/9/095013 . ISSN 0960-1317 .
- ^ «Свойства изгиба при четырехточечном изгибе, ASTM D6272» . ptli.com .
- ^ relaxman1993 (13 сентября 2014 г.). "Tutoriel Abaqus-Contrainte résiduelle dans une poutre / Остаточное напряжение в балке" - через YouTube.
- ^ GSSchajer Практические методы измерения остаточного напряжения . Wiley 2013, 7, ISBN 978-1-118-34237-4 .
- ^ Национальная лаборатория в Лос - Аламосе - Контурная метод . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ Национальная лаборатория Лос-Аламоса - метод Sltting . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ ASTM E1928-13 Стандартная практика для оценки приблизительного остаточного окружного напряжения в прямых тонкостенных трубках . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ VEQTER Ltd - Скучно Саха . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ VEQTER Ltd - Бурение глубоких отверстий . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ G2MT Labs - Сверление центрального отверстия . Проверено 22 фев 2018.
- ^ VEQTER Ltd - Кольцо Core . Проверено 19 июня 2014 г.
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинального 14 марта 2014 года . Проверено 8 июня 2014 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Покрытие» . plating.com .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Хосфорд, Уильям Ф. 2005. «Остаточные напряжения». В механическом поведении материалов, 308–321. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-84670-7
- Кэри, Ховард Б. и Скотт К. Хелцер (2005). Современные сварочные технологии. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси : Образование Пирсона. ISBN 0-13-113029-3 .
- Шайер, Гэри С. 2013. Практические методы измерения остаточного напряжения. Вайли. ISBN 978-1-118-34237-4
- Кель, Дж.-Х., Драфз, Р., Папе, Ф. и Полл, Г., 2016. Моделирующие исследования влияния вмятин на поверхности на остаточные напряжения на внутренних дорожках качения роликовых подшипников, Международная конференция по остаточным напряжениям, 2016 г. ( Сидней), DOI: 10.21741 / 9781945291173-69
Внешние ссылки [ править ]
- Энергосберегающие технологии и компьютеризированное оборудование для вибростабилизации остаточных напряжений (единственная в СНГ 35-летняя научная школа, представившая в 1988 году первую в мире установку компьютерной диагностики) предназначены для стабилизации остаточных напряжений в сварных швах, отливках и др. другой нежесткий динамический металл
- Исчерпывающие ресурсы по остаточным напряжениям в Кембриджском университете
