В материаловедении и механике твердого тела остаточные напряжения — это напряжения , которые остаются в твердом материале после устранения первопричины напряжений. Остаточное напряжение может быть желательным или нежелательным. Например, лазерная закалка придает глубокие полезные сжимающие остаточные напряжения металлическим компонентам, таким как лопасти вентилятора турбинного двигателя, и она используется в закаленном стекле , чтобы обеспечить большие, тонкие, устойчивые к трещинам и царапинам стеклянные дисплеи на смартфонах . Однако непреднамеренное остаточное напряжение в спроектированной конструкции может привести к ее преждевременному выходу из строя .
Остаточные напряжения могут возникать в результате различных механизмов, включая неупругие ( пластические ) деформации , температурные градиенты (во время термического цикла) или структурные изменения ( фазовое превращение ). Тепло от сварки может вызвать локальное расширение, которое во время сварки поглощается либо расплавленным металлом, либо расположением свариваемых деталей. Когда готовая сварная деталь остывает, некоторые участки охлаждаются и сжимаются сильнее, чем другие, оставляя остаточные напряжения. Другой пример имеет место при производстве полупроводников и микросистем [1] , когда тонкопленочные материалы с различными термическими и кристаллическими свойствами осаждаются последовательно в разных технологических условиях. Изменение напряжения в стопке тонкопленочных материалов может быть очень сложным и может варьироваться между сжимающими и растягивающими напряжениями от слоя к слою.
Хотя неконтролируемые остаточные напряжения нежелательны, некоторые конструкции полагаются на них. В частности, хрупкие материалы можно повысить за счет включения сжимающих остаточных напряжений, как в случае с закаленным стеклом и предварительно напряженным бетоном . Преобладающим механизмом разрушения хрупких материалов является хрупкое разрушение , которое начинается с начального образования трещин. Когда к материалу прикладывается внешнее растягивающее напряжение , в вершинах трещин концентрируются напряжения , увеличивая локальные растягивающие напряжения, испытываемые в вершинах трещин, в большей степени, чем среднее напряжение в объемном материале. Это приводит к быстрому увеличению (распространению) первоначальной трещины, поскольку окружающий материал подвергается воздействию концентрации 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 в результате распространения исходной трещины, внешнее растягивающее напряжение должно преодолеть сжимающее остаточное напряжение до того, как кончики трещины испытают достаточное растягивающее напряжение для распространения.
При производстве некоторых мечей используется градиент образования мартенсита для получения особенно твердых кромок (особенно катаны ). Разница в остаточном напряжении между более твердой режущей кромкой и более мягкой задней частью меча придает таким мечам характерную кривизну .
В закаленном стекле на поверхности стекла возникают сжимающие напряжения, уравновешиваемые растягивающими напряжениями в теле стекла. Из-за остаточного сжимающего напряжения на поверхности закаленное стекло более устойчиво к трещинам, но при разрушении внешней поверхности разбивается на мелкие осколки. Демонстрация эффекта продемонстрирована « Каплей принца Руперта» , новинкой в области материаловедения, в которой шарик расплавленного стекла закаливается в воде: поскольку внешняя поверхность охлаждается и затвердевает первой, когда объем остывает и затвердевает, он «хочет» принять увеличить объем меньшего, чем уже определила внешняя «кожа»; это приводит к напряжению большей части объема, втягиванию «кожи» внутрь и сжатию «кожи». В результате твердая капля становится чрезвычайно прочной, по ней можно ударить молотком, но если ее длинный хвост сломать, баланс сил нарушится, в результате чего вся деталь сильно разобьется.
В некоторых типах стволов орудий, состоящих из двух трубок, спрессованных вместе, внутренняя трубка сжимается, а внешняя трубка растягивается, предотвращая образование трещин в нарезах при выстреле.
Обычными методами создания сжимающих остаточных напряжений являются дробеструйная обработка поверхностей и высокочастотная ударная обработка сварных швов. Глубина сжимающих остаточных напряжений варьируется в зависимости от метода. Оба метода позволяют существенно увеличить срок службы конструкций.
Существует несколько методов, которые используются для создания равномерного остаточного напряжения в балке. Например, четырехточечный изгиб позволяет создавать остаточное напряжение путем приложения нагрузки к балке с помощью двух цилиндров. [2] [3]
Существует множество методов измерения остаточных напряжений, которые в общих чертах делятся на разрушающие, полуразрушающие и неразрушающие методы. Выбор метода зависит от требуемой информации и характера измеряемого образца. Факторы включают глубину/проникновение измерения (поверхность или по толщине), масштаб измерения длины ( макроскопический , мезоскопический или микроскопический ), разрешение требуемой информации, а также геометрию состава и расположение образца. Кроме того, некоторые методы необходимо выполнять в специализированных лабораторных условиях, а это означает, что измерения «на месте» невозможны для всех методов.
Методы разрушения приводят к большим и непоправимым структурным изменениям образца, а это означает, что либо образец не может быть возвращен в эксплуатацию, либо необходимо использовать макет или запасной вариант. Эти методы работают по принципу «снятия напряжения»; разрезание измерительного образца для снятия остаточных напряжений и последующее измерение деформированной формы. Поскольку эти деформации обычно являются упругими, существует полезная линейная зависимость между величиной деформации и величиной высвободившегося остаточного напряжения. [4] К деструктивным методам относятся:
Подобно деструктивным техникам, они также действуют по принципу «снятия напряжения». Однако они удаляют лишь небольшое количество материала, оставляя нетронутой общую целостность конструкции. К ним относятся:
Неразрушающие методы измеряют влияние связи между остаточными напряжениями и их влиянием на кристаллографические свойства измеряемого материала. Некоторые из них работают путем измерения дифракции высокочастотного электромагнитного излучения через период атомной решетки (который был деформирован из-за напряжения) относительно образца без напряжений. Ультразвуковые и магнитные методы используют акустические и ферромагнитные свойства материалов для проведения относительных измерений остаточного напряжения. К неразрушающим методам относятся:
Если присутствует нежелательное остаточное напряжение от предшествующих операций металлообработки, величину остаточного напряжения можно уменьшить несколькими методами. Эти методы можно разделить на термические и механические (или нетермические). [12] Все методы включают в себя обработку части, подлежащей снятию напряжений, в целом.
Термический метод предполагает равномерное изменение температуры всей детали путем нагрева или охлаждения. Когда детали нагревают для снятия напряжений, этот процесс также можно назвать обжигом для снятия напряжений. [13] Охлаждение деталей для снятия напряжений известно как криогенное снятие напряжений и встречается относительно редко. [ нужна цитата ]
У большинства металлов при нагревании предел текучести снижается . Если предел текучести материала существенно снижается из-за нагрева, участки внутри материала, в которых наблюдаются остаточные напряжения, превышающие предел текучести (в нагретом состоянии), будут поддаваться или деформироваться. В результате в материале остаются остаточные напряжения, которые не превышают предела текучести материала в нагретом состоянии.
Запекание для снятия напряжений не следует путать с отжигом или отпуском , которые представляют собой термическую обработку, направленную на повышение пластичности металла. Хотя эти процессы также включают нагрев материала до высоких температур и снижение остаточных напряжений, они также влекут за собой изменение металлургических свойств, что может быть нежелательным.
Для некоторых материалов, таких как низколегированная сталь, во время обжига для снятия напряжений необходимо соблюдать осторожность, чтобы не превышать температуру, при которой материал достигает максимальной твердости (см. Закалка легированных сталей ).
Криогенное снятие напряжения включает помещение материала (обычно стали) в криогенную среду, например жидкий азот. В этом процессе материал, подлежащий снятию напряжения, охлаждается до криогенной температуры в течение длительного периода, а затем медленно возвращается к комнатной температуре.
Механические методы снятия нежелательных поверхностных растягивающих напряжений и замены их полезными сжимающими остаточными напряжениями включают дробеструйную и лазерную упрочнение. Каждый из них обрабатывает поверхность материала с помощью носителя: при дробеструйной обработке обычно используется металл или стекло; При лазерной упрочнении используются лучи света высокой интенсивности, вызывающие ударную волну, которая распространяется глубоко в материал.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )