V procesu zpracování a výroby materiálu je zbytkové napětí běžným jevem, který má významný vliv na výkon a životnost materiálů. Pochopení příčin zbytkového napětí, charakteristik prostorového rozložení a jeho vlivu na vlastnosti materiálu, pro zlepšení kvality výrobků, prevence bezpečnostních nehod má velký význam.
I. Příčiny zbytkového napětí
Zbytkové napětí se vztahuje ke konci zpracování materiálu, obrobek si stále zachovává vnitřní napětí. Tento stres vzniká především z následujících aspektů:
1. Nerovnoměrná plastická deformace
Když je obrobek vystaven komplexnímu zatížení (jako je válcování za studena, tažení, vytlačování a povrchové otryskávání, válcování atd.), v důsledku nerovnoměrné síly na průřez- může místo velké síly způsobit plastickou deformaci, zatímco místo malé síly může být stále elastická deformace. Při nezatížení mohou tyto nerovnoměrné plastické deformace vést ke zbytkovým pnutím v obrobku. Konkrétně jsou natažené oblasti vystaveny tlakovému namáhání po odlehčení, zatímco sousední oblasti jsou vystaveny tahovému namáhání. Toto zbytkové napětí v důsledku nerovnoměrné plastické deformace je běžnou formou napětí v procesech obrábění.
2. Tepelné účinky nehomogenního teplotního pole
Při tepelném zpracování jsou procesy ohřevu a chlazení obvykle velmi složité a zahrnují rychlé ohřev a chlazení, stejně jako místní ohřev a chlazení. Protože teplo může být přenášeno pouze povrchem, bude mít obrobek rozdíly v tepelné roztažnosti v důsledku teplotní nehomogenity během ohřevu a chlazení, což zase vytváří přechodná tepelná napětí. Když hodnota těchto přechodných tepelných napětí překročí mez kluzu materiálu při vysoké teplotě, dochází v určitých oblastech k plastické deformaci. Když je proces zahřívání ukončen, ačkoli se obrobek ochladil na pokojovou teplotu, vznikají v obrobku zbytková napětí v důsledku nerovnoměrné plastické deformace během procesu zahřívání. Taková zbytková napětí v důsledku nerovnoměrných teplotních polí jsou zvláště běžná v procesech tepelného zpracování.
3. Efekty fázového přechodu
Během zpracování materiálu vedou změny v metalurgické organizaci (např. přeměna austenitu na martenzit při kalení) ke změnám vnitřního specifického objemu materiálu, což zase vytváří fázové přechodové napětí. Toto napětí fázového přechodu také zůstane uvnitř obrobku po zpracování a vytvoří zbytkové napětí.
Za druhé, prostorové rozložení charakteristik zbytkového napětí
Prostorové rozložení zbytkového napětí závisí na jeho příčině a konkrétních podmínkách zpracování. Obecně lze zbytkové napětí rozdělit do tří kategorií: makrozbytkové napětí, mikrozbytkové napětí a ultra-mikrozbytkové napětí.
1. Makro zbytkové napětí
Makroskopické zbytkové napětí je v obrobku jako celku nebo v makrorozsahu zbytkového napětí k dosažení rovnováhy. Rozložení tohoto napětí je obvykle rovnoměrnější, větší vliv má celkový výkon obrobku. V procesu, v důsledku nerovnoměrné plastické deformace nebo nerovnoměrného teplotního pole tepelného efektu, bude obrobek produkovat makro tahové nebo tlakové zbytkové napětí.
2. Mikrozbytkové napětí
Mikroskopická zbytková napětí jsou zbytková napětí, která dosahují rovnováhy v rámci několika zrn v obrobku. Rozložení tohoto napětí je obvykle složitější, a to tvar, velikost a orientace zrna a další faktory. Při plastické deformaci vznikají mikroskopická tahová nebo tlaková zbytková napětí v důsledku interakcí zrn a přítomnosti hranic zrn. Tato napětí mají důležitý vliv na místní vlastnosti materiálu, jako je únavová pevnost a rychlost rozšiřování trhlin.
3. Ultra-mikroskopické zbytkové napětí
Ultra-mikroskopické zbytkové napětí je velký počet atomárních povrchů v obrobku, atomárních sloupců blízkých rovnováze zbytkového napětí. Rozložení tohoto napětí je složitější a souvisí s mikrostrukturou materiálu a defekty a dalšími faktory. Během fázových přeměn vznikají ultramikroskopická tahová nebo tlaková zbytková napětí v důsledku deformací mřížky a defektů. Tato napětí mají vliv na fyzikální a chemické vlastnosti materiálu.
Charakteristiky prostorového rozložení zbytkových napětí nezávisí pouze na jejich příčinách, ale úzce souvisí také se specifickými podmínkami procesu. Například během procesu svařování dochází k rychlému ohřevu a ochlazení svarového švu a jeho sousedních oblastí, což má za následek složité rozložení zbytkových napětí v těchto oblastech. Nehomogenita těchto rozložení napětí může mít důležitý vliv na pevnost a houževnatost svaru.
Za třetí, vliv zbytkového napětí na vlastnosti materiálu
Zbytkové napětí má významný vliv na mechanické vlastnosti materiálů. Pokud jde o mez kluzu, pokud jsou v materiálu zbytková tahová napětí, sníží se mez kluzu materiálu, čímž se materiál stane náchylnějším k plastické deformaci. Naopak zbytková tlaková napětí do určité míry zvyšují mez kluzu materiálu. U pevnosti v tahu přítomnost zbytkového napětí změní rozložení napětí materiálu v procesu tahu, čímž ovlivní jeho pevnost v tahu. Kromě toho bude mít zbytkové napětí také vliv na plasticitu, houževnatost a tvrdost materiálu a další ukazatele. Například zbytkové tahové napětí zvyšuje prodloužení materiálu, zatímco zbytkové tlakové napětí snižuje prodloužení materiálu. Pokud jde o tvrdost, zbytkové napětí v tahu snižuje měření tvrdosti, zatímco zbytkové napětí v tlaku zvyšuje měření tvrdosti.
Vliv zbytkového napětí na únavovou životnost materiálu je ještě kritičtější. Působením střídavého zatížení bude zbytkové tahové napětí superponováno s aplikovaným zatížením, což urychlí vznik a expanzi trhlin a výrazně sníží únavovou životnost materiálu. Při návrhu a výrobě mechanických dílů je proto nutné plně zohlednit vliv zbytkového napětí, aby se předešlo únavovému selhání způsobenému nadměrným zbytkovým napětím.
2. Vliv na fyzikální vlastnosti
Zbytkové napětí bude mít také dopad na fyzikální vlastnosti materiálu. Například, pokud jde o koeficient tepelné roztažnosti, zbytkové napětí změní vnitřní mřížkovou strukturu materiálu, což následně ovlivňuje jeho charakteristiky tepelné roztažnosti. Jsou-li v materiálu přítomna zbytková napětí, může se změnit koeficient tepelné roztažnosti, což v některých aplikacích citlivých na teplotu (např. systémy tepelné regulace v letectví) může vést k problémům s lícováním součástí. Zbytkové napětí má navíc vliv na tepelnou a elektrickou vodivost materiálu. Studie ukázaly, že zbytková napětí mohou narušit uspořádání atomů v materiálu, zvýšit pravděpodobnost rozptylu fononů a elektronů, a tím snížit tepelnou a elektrickou vodivost materiálu. V elektronických zařízeních, kde je kritický rozptyl tepla a elektrická vodivost, může tento účinek zbytkového napětí vést ke snížení tepelné účinnosti a zvýšení odporu zařízení, což následně ovlivňuje výkon a stabilitu zařízení.
