Остаточный стресс - Residual stress

Остаточное напряжение в гнутом полый структурный профиль заставляет его зевать при разрезании ленточной пилой.

Остаточные напряжения находятся подчеркивает которые остаются в твердом материале после устранения первоначальной причины напряжений. Остаточный стресс может быть желательным или нежелательным. Например, лазерная обработка создает глубокие полезные сжимающие остаточные напряжения в металлических компонентах, таких как лопасти вентилятора газотурбинного двигателя, и используется в закаленное стекло для размещения больших, тонких, устойчивых к трещинам и царапинам стеклянных дисплеев на смартфоны. Однако непреднамеренное остаточное напряжение в проектируемой конструкции может вызвать ее преждевременный выход из строя.

Остаточные напряжения могут возникать в результате множества механизмов, включая неупругие (пластические) деформации, температурные градиенты (во время теплового цикла) или структурные изменения (фазовое превращение). Тепло от сварка может вызвать локальное расширение, которое во время сварки воспринимается либо расплавленным металлом, либо размещением свариваемых деталей. Когда готовая сварная деталь остывает, некоторые области охлаждают и сжимаются больше, чем другие, оставляя остаточные напряжения. Другой пример происходит во время производство полупроводников и изготовление микросистемы^[1] когда тонкая пленка материалы 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

Хотя неконтролируемые остаточные напряжения нежелательны, некоторые конструкции полагаются на них. Особенно, хрупкий материалы могут быть закаленный за счет включения остаточного напряжения сжатия, как в случае закаленное стекло и предварительно напряженный бетон. Преобладающий механизм разрушения хрупких материалов: хрупкое разрушение, который начинается с образования начальной трещины. Когда внешний растягивающее напряжение наносится на материал, кончики трещин концентрировать стресс, увеличивая локальные растягивающие напряжения, возникающие в вершинах трещин, в большей степени, чем среднее напряжение в массивном материале. Это приводит к тому, что первоначальная трещина быстро увеличивается (распространяется), 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 мартенсит формирование для производства особенно жесткий края (особенно катана ). Разница в остаточном напряжении между более твердой режущей кромкой и более мягкой задней частью меча придает таким мечам характерную кривую.^{[нужна цитата ]}.

Капли принца Руперта

В закаленном стекле сжимающие напряжения возникают на поверхности стекла, уравновешиваясь растягивающими напряжениями в теле стекла. Из-за остаточного сжимающего напряжения на поверхности закаленное стекло более устойчиво к трещинам, но разбивается на мелкие осколки при разрушении внешней поверхности. Демонстрация эффекта показана 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 приводит к растяжению большей части объема, втягиванию «кожи» внутрь и сдавливанию «кожи». 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

Обрушившийся Серебряный мост, вид со стороны Огайо

Отливки также могут иметь большие остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения. Остаточное напряжение часто является причиной преждевременного выхода из строя критических компонентов и, вероятно, было фактором разрушения Серебряный мост в Западной Вирджинии, США, в декабре 1967 года. Звенья проушины были отливками, которые демонстрировали высокие уровни остаточного напряжения, которые в одной проушине способствовали 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 проезжая часть упала в реку внизу.^{[нужна цитата ]}

Остаточное напряжение сжатия

Общие методы создания остаточного напряжения сжатия: дробеструйная обработка для поверхностей и Обработка высокочастотным ударом для приварных пальцев. Глубина остаточного напряжения сжатия варьируется в зависимости от метода. Оба метода могут значительно увеличить срок службы конструкций.

Пример сборки, обработанной HiFIT

Создание остаточного напряжения

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

Диаграмма, сравнивающая методы измерения остаточного напряжения, показывающая шкалу длины измерения, проникновение и уровень разрушения измеренного компонента.

Обзор

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 длины, на которой необходимо измерить (макроскопический, мезоскопический или же микроскопический ), разрешение требуемой информации, а также геометрия состава и расположение образца. Кроме того, некоторые методы необходимо выполнять в специализированных лабораторных помещениях, а это означает, что измерения «на месте» не возможны для всех методов.

Разрушительные техники

Разрушающие методы приводят к значительным 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 упругие, существует линейный взаимосвязь между величиной деформации и величиной снятого остаточного напряжения.^[4] Деструктивные техники включают:

Контурный метод^[5] - измеряет остаточное напряжение на двумерном плоском сечении образца в одноосном направлении, перпендикулярном поверхности, прорезанной через образец с помощью проволочного EDM.
Продольная резка (соответствие трещинам) ^[6] - измеряет остаточное напряжение по толщине образца по нормали к «щели» среза.
Удаление / разделение / наслоение блоков^[7]
Скучно Сакса^[8]

Полудеструктивные техники

Подобно деструктивным методам, они также работают по принципу «снятия напряжения». Однако они удаляют только небольшое количество материала, оставляя целостность конструкции нетронутой. К ним относятся:

Бурение глубоких отверстий[9] - измеряет остаточные напряжения по толщине компонента путем снятия напряжений в «сердечнике», окружающем просверленное отверстие малого диаметра.
Сверление центрального отверстия[10] - измеряет приповерхностные остаточные напряжения путем снятия деформации в соответствии с небольшой мелкой просверленной скважиной с тензодатчик розетка. 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.
Кольцо Core^[11] - аналогично сверлению с центральным отверстием, но с большим проникновением и с резкой, происходящей вокруг розетки тензодатчика, а не через ее центр.

Неразрушающие методы

Неразрушающие методы измеряют влияние соотношений между остаточными напряжениями и их влиянием на кристаллографические свойства измеряемого материала. Некоторые из них работают путем измерения дифракция высокой частоты электромагнитное излучение сквозь атомная решетка расстояние (которое было деформировано из-за напряжения) относительно образца без напряжения. Ультразвуковые и магнитные методы используют акустические и ферромагнитные свойства материалов для выполнения относительных измерений остаточного напряжения. К неразрушающим методам относятся:

Электромагнитный a.k.a. eStress - Может использоваться с широким диапазоном размеров образцов и материалов с точностью до нейтронной дифракции. 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 - Проверенная методика, позволяющая измерять сквозную толщину, но для которой требуется источник нейтронов (например, ядерный реактор).
Синхротронная дифракция - Требуется синхротрон, но предоставляет такие же полезные данные, как eStress и методы нейтронной дифракции.
Дифракция рентгеновских лучей - технология ограниченной поверхности с проникновением всего несколько сотен микрон.
Ультразвуковой - экспериментальный процесс все еще в разработке.
Магнитный - Может использоваться с очень ограниченными размерами образцов.

Снятие остаточного напряжения

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

Термический метод предполагает равномерное изменение температуры всей детали путем нагрева или охлаждения. Когда детали нагреваются для снятия напряжений, этот процесс также известен как выпечка для снятия напряжения.^[13] Охлаждение деталей для снятия напряжения известно как криогенное снятие напряжения и встречается относительно редко.^{[нужна цитата ]}

Выпечка для снятия стресса

Большинство металлов при нагревании испытывают снижение предел текучести. Если предел текучести материала значительно снижается при нагревании, участки в материале, которые испытывают остаточные напряжения, превышающие предел текучести (в нагретом состоянии), будут уступать или деформироваться. Это оставляет материал с остаточными напряжениями, которые не превышают предел текучести материала в нагретом состоянии.

Выпечку для снятия стресса не следует путать с отжиг или же закалка, которые представляют собой термообработку 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 стресса

Криогенное снятие напряжений включает помещение материала (обычно стали) в криогенный среда, такая 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

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: при дробеструйном упрочнении обычно используется металл или стекло; При лазерной обработке используются лучи света высокой интенсивности для создания ударной волны, которая распространяется глубоко в материал.

Смотрите также

дальнейшее чтение

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 Верхнее Седл, Нью-Джерси: Pearson Education. 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

внешняя ссылка

[1] Schiavone, G .; Мюррей, Дж .; Smith, S .; Desmulliez, M. P. Y .; Mount, A.R .; Уолтон, А. Дж. (1 января 2016 г.). «Техника картирования пластин для остаточного напряжения в поверхностных пленках, подвергнутых микромашинной обработке». Журнал микромеханики и микротехники. 26 (9): 095013. Bibcode:2016JMiMi..26i5013S. Дои:10.1088/0960-1317/26/9/095013. ISSN 0960-1317.

[2] «Свойства изгиба при четырехточечном изгибе, ASTM D6272». ptli.com.

[3] relaxman1993 (13 сентября 2014 г.). "Tutoriel Abaqus-Contrainte résiduelle dans une poutre / Остаточное напряжение в балке" - через YouTube.

[4] Г.С. Шайер Практические методы измерения остаточного напряжения. Wiley 2013, 7, г. ISBN 978-1-118-34237-4.

[contour-5] Лос-Аламосская национальная лаборатория - контурный метод. Проверено 19 июня 2014 г.

[slitting-6] Лос-Аламосская национальная лаборатория - метод Sltting. Проверено 19 июня 2014 г.

[splitting-7] ASTM E1928-13 Стандартная практика для оценки приблизительного остаточного окружного напряжения в прямых тонкостенных трубках. Проверено 19 июня 2014 г.

[sachsboring-8] VEQTER Ltd - Скучно Саха. Проверено 19 июня 2014 г.

[dhd-9] VEQTER Ltd - Бурение глубоких отверстий. Проверено 19 июня 2014 г.

[chd-10] G2MT Labs - Сверление центрального отверстия. Проверено 22 фев 2018.

[ringcore-11] ООО "ВЕКТЕР" - Кольцевое ядро. Проверено 19 июня 2014 г.

[12] «Архивная копия». Архивировано из оригинал 14 марта 2014 г.. Получено 8 июн 2014.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

[13] «Обшивка». plating.com.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]