V procesu obdelave in izdelave materialov je zaostala napetost pogost pojav, ki pomembno vpliva na zmogljivost in življenjsko dobo materialov. Razumevanje vzrokov preostale napetosti, značilnosti prostorske porazdelitve in njenega vpliva na lastnosti materiala, za izboljšanje kakovosti izdelkov, preprečevanje varnostnih nesreč je velikega pomena.
I. Vzroki za nastanek preostale napetosti
Preostala napetost se nanaša na konec obdelave materiala, obdelovanec še vedno ohranja notranjo napetost. Ta stres izhaja predvsem iz naslednjih vidikov:
1. Neenakomerna plastična deformacija
Ko je obdelovanec izpostavljen kompleksnim obremenitvam (kot so hladno valjanje, vlečenje, ekstrudiranje in površinsko drobljenje, valjanje itd.), lahko zaradi neenakomerne sile na prečnem-prerezu mesto velike sile povzroči plastično deformacijo, medtem ko je mesto majhne sile lahko še vedno elastična deformacija. Ko so neobremenjene, lahko te neenakomerne plastične deformacije povzročijo preostale napetosti v obdelovancu. Natančneje, raztegnjena območja so po razbremenitvi izpostavljena tlačnim obremenitvam, medtem ko so sosednja področja izpostavljena nateznim obremenitvam. Ta zaostala napetost zaradi neenakomerne plastične deformacije je pogosta oblika napetosti v obdelovalnih procesih.
2. Toplotni učinki nehomogenega temperaturnega polja
Pri termični obdelavi sta postopka ogrevanja in hlajenja običajno zelo zapletena, vključujeta hitro segrevanje in hlajenje ter lokalno ogrevanje in hlajenje. Ker se toplota lahko prenaša le skozi površino, bo imel obdelovanec razlike v toplotnem raztezanju zaradi temperaturne nehomogenosti med segrevanjem in ohlajanjem, kar posledično ustvarja prehodne toplotne napetosti. Ko vrednost teh prehodnih toplotnih napetosti preseže visoko temperaturno mejo tečenja materiala, na določenih območjih pride do plastične deformacije. Ko je proces segrevanja končan, čeprav se je obdelovanec ohladil na sobno temperaturo, se znotraj obdelovanca zaradi neenakomerne plastične deformacije med postopkom segrevanja ustvarijo preostale napetosti. Takšne zaostale napetosti zaradi neenakomernih temperaturnih polj so še posebej pogoste pri postopkih toplotne obdelave.
3. Učinki faznega prehoda
Med obdelavo materiala spremembe v metalurški organizaciji (npr. transformacija avstenita v martenzit med kaljenjem) vodijo do sprememb v notranjem specifičnem volumnu materiala, kar posledično ustvarja napetosti faznega prehoda. Ta napetost faznega prehoda bo po obdelavi ostala tudi znotraj obdelovanca in tvorila preostalo napetost.
Drugič, prostorska porazdelitev značilnosti preostale napetosti
Prostorska porazdelitev preostale napetosti je odvisna od njenega vzroka in posebnih pogojev obdelave. Na splošno lahko preostalo napetost razdelimo v tri kategorije: makro preostalo napetost, mikro preostalo napetost in ultra-mikro preostalo napetost.
1. Makro zaostala napetost
Makroskopska preostala napetost je v obdelovancu kot celoti ali v makro razponu preostale napetosti za doseganje ravnovesja. Porazdelitev te napetosti je običajno bolj enakomerna, splošna zmogljivost obdelovanca ima večji vpliv. V procesu bo obdelovanec zaradi neenakomerne plastične deformacije ali neenakomernega temperaturnega polja toplotnega učinka povzročil makro natezno ali tlačno preostalo napetost.
2. Mikro zaostala napetost
Mikroskopske zaostale napetosti so zaostale napetosti, ki dosežejo ravnotežje v nekaj zrncih znotraj obdelovanca. Porazdelitev tega stresa je običajno bolj zapletena, oblika, velikost in orientacija zrn ter drugi dejavniki. Med plastično deformacijo nastanejo mikroskopske natezne ali tlačne zaostale napetosti zaradi interakcij zrn in prisotnosti meja zrn. Te napetosti pomembno vplivajo na lokalne lastnosti materiala, kot sta utrujenostna trdnost in hitrost razširitve razpoke.
3. Ultra-mikroskopska zaostala napetost
Ultra-mikroskopska zaostala napetost je veliko število atomskih površin v obdelovancu, atomskih stolpcev blizu ravnovesja preostale napetosti. Porazdelitev te napetosti je bolj zapletena in je povezana z mikrostrukturo materiala in napakami ter drugimi dejavniki. Med faznimi transformacijami nastanejo ultramikroskopske natezne ali tlačne zaostale napetosti zaradi deformacij mreže in napak. Te napetosti vplivajo na fizikalne in kemijske lastnosti materiala.
Značilnosti prostorske porazdelitve preostalih napetosti niso odvisne le od njihovih vzrokov, ampak so tesno povezane tudi s specifičnimi pogoji procesa. Na primer, med postopkom varjenja se zvar in njegova sosednja področja hitro segrejejo in ohladijo, kar povzroči zapleteno porazdelitev preostalih napetosti na teh območjih. Nehomogenost teh porazdelitev napetosti lahko pomembno vpliva na trdnost in žilavost zvara.
Tretjič, vpliv preostale napetosti na lastnosti materiala
Preostale napetosti pomembno vplivajo na mehanske lastnosti materialov. Kar zadeva mejo tečenja, ko v materialu obstajajo preostale natezne napetosti, bo to zmanjšalo mejo tečenja materiala, zaradi česar je material bolj nagnjen k plastični deformaciji. Nasprotno pa preostale tlačne napetosti do neke mere povečajo mejo tečenja materiala. Za natezno trdnost bo prisotnost preostale napetosti spremenila porazdelitev napetosti materiala v nateznem procesu in tako vplivala na njegovo natezno trdnost. Poleg tega bo zaostala napetost vplivala tudi na plastičnost, žilavost in trdoto materiala ter druge kazalnike. Na primer, preostala natezna napetost poveča raztezek materiala, medtem ko preostala tlačna napetost zmanjša raztezek materiala. Kar zadeva trdoto, preostala natezna napetost zmanjša izmerjeno trdoto, medtem ko preostala tlačna napetost poveča izmerjeno trdoto.
Učinek preostale napetosti na življenjsko dobo materiala ob utrujenosti je še bolj kritičen. Pod vplivom izmenične obremenitve se zaostala natezna napetost prekriva z uporabljeno obremenitvijo, kar pospeši nastanek in širjenje razpok, kar znatno zmanjša življenjsko dobo materiala ob utrujenosti. Zato je treba pri načrtovanju in izdelavi mehanskih delov v celoti upoštevati vpliv preostale napetosti, da se izognemo odpovedi zaradi utrujenosti, ki jo povzroči čezmerna zaostala napetost.
2. Vpliv na fizikalne lastnosti
Preostale napetosti bodo vplivale tudi na fizikalne lastnosti materiala. Na primer, kar zadeva koeficient toplotnega raztezanja, bo zaostala napetost spremenila notranjo mrežno strukturo materiala, kar posledično vpliva na njegove lastnosti toplotnega raztezanja. Ko so v materialu prisotne preostale napetosti, se lahko spremeni koeficient toplotnega raztezanja, kar lahko v nekaterih temperaturno občutljivih aplikacijah (npr. toplotni nadzorni sistemi v letalstvu) povzroči težave s prileganjem komponent. Poleg tega zaostala napetost vpliva na toplotno in električno prevodnost materiala. Študije so pokazale, da lahko preostale napetosti popačijo atomsko razporeditev v materialu, kar poveča verjetnost sipanja fononov in elektronov, s čimer se zmanjša toplotna in električna prevodnost materiala. V elektronskih napravah, kjer sta odvajanje toplote in električna prevodnost kritična, lahko ta učinek zaradi preostale napetosti vodi do zmanjšanja toplotne učinkovitosti in povečanja upora naprave, kar posledično vpliva na delovanje in stabilnost naprave.
