I processen för materialbearbetning och tillverkning är restspänning ett vanligt fenomen, vilket har en viktig inverkan på materialprestanda och livslängd. Att förstå orsakerna till kvarvarande stress, rumsliga fördelningsegenskaper och dess inverkan på materialegenskaper, för att förbättra produktkvaliteten, förebyggande av säkerhetsolyckor är av stor betydelse.
I. Orsaker till kvarstående stress
Restspänning hänvisar till slutet av materialbearbetningen, arbetsstycket behåller fortfarande den inre spänningen. Denna stress härrör huvudsakligen från följande aspekter:
1. Ojämn plastisk deformation
När arbetsstycket utsätts för komplexa belastningar (såsom kallvalsning, dragning, extrudering och ytkulblästring, valsning, etc.), på grund av den ojämna kraften på tvärsnittet, kan platsen för stor kraft producera plastisk deformation, medan platsen för liten kraft fortfarande kan vara elastisk deformation. Vid obelastad kan dessa ojämna plastiska deformationer leda till restspänningar i arbetsstycket. Närmare bestämt utsätts sträckta områden för tryckspänningar efter avlastning, medan intilliggande områden utsätts för dragpåkänningar. Denna restspänning på grund av ojämn plastisk deformation är en vanlig form av spänning i bearbetningsprocesser.
2. Termiska effekter av inhomogent temperaturfält
Vid termisk bearbetning är uppvärmnings- och kylprocesserna vanligtvis mycket komplexa, med snabb uppvärmning och nedkylning såväl som lokal uppvärmning och nedkylning. Eftersom värme endast kan överföras genom ytan kommer arbetsstycket att ha skillnader i termisk expansion på grund av temperaturinhomogenitet under uppvärmning och kylning, vilket i sin tur genererar transienta termiska spänningar. När värdet av dessa transienta termiska spänningar överstiger materialets högtemperatursträckgräns, uppstår plastisk deformation i vissa områden. När uppvärmningsprocessen är över, även om arbetsstycket har svalnat till rumstemperatur, genereras restspänningar inuti arbetsstycket på grund av ojämn plastisk deformation under uppvärmningsprocessen. Sådana restspänningar på grund av ojämna temperaturfält är särskilt vanliga i värmebehandlingsprocesser.
3. Fasövergångseffekter
Under materialbearbetning leder förändringar i den metallurgiska organisationen (t.ex. austenit till martensittransformation under härdning) till förändringar i materialets inre specifika volym, vilket i sin tur genererar fasövergångsspänningar. Denna fasövergångsspänning kommer också att förbli inuti arbetsstycket efter bearbetning, vilket bildar kvarvarande spänning.
För det andra den rumsliga fördelningen av restspänningsegenskaper
Den rumsliga fördelningen av kvarvarande stress beror på dess orsak och de specifika förhållandena för bearbetningen. Generellt sett kan restspänningen delas in i tre kategorier: makrorestspänning, mikrorestspänning och ultra-mikrorestspänning.
1. Makro kvarvarande stress
Makroskopisk restspänning finns i arbetsstycket som helhet eller makroområdet för restspänning för att uppnå jämvikt. Fördelningen av denna spänning är vanligtvis mer enhetlig, arbetsstyckets totala prestanda har en större inverkan. I processen, på grund av ojämn plastisk deformation eller ojämn temperaturfält för den termiska effekten, kommer arbetsstycket att producera makrodrag eller kompressionsrestspänning.
2. Mikrorestspänning
Mikroskopiska restspänningar är restspänningar som når jämvikt inom några få korn i arbetsstycket. Fördelningen av denna spänning är vanligtvis mer komplex, och kornens form, storlek och orientering och andra faktorer. Under plastisk deformation genereras mikroskopiska drag- eller kompressiva restspänningar på grund av korninteraktioner och närvaron av korngränser. Dessa spänningar har en viktig inverkan på materialets lokala egenskaper, såsom utmattningshållfasthet och sprickförlängningshastighet.
3. Ultra-mikroskopisk restspänning
Ultra-mikroskopisk restspänning är ett stort antal atomytor i arbetsstycket, atomkolumner nära restspänningens jämvikt. Fördelningen av denna spänning är mer komplex och är relaterad till materialets mikrostruktur och defekter och andra faktorer. Under fasomvandlingar genereras ultramikroskopiska drag- eller kompressiva restspänningar på grund av gallerförvrängningar och defekter. Dessa spänningar påverkar materialets fysikaliska och kemiska egenskaper.
Restspänningarnas rumsliga fördelningsegenskaper beror inte bara på deras orsaker, utan är också nära relaterade till processens specifika förhållanden. Till exempel, under svetsprocessen genomgår svetsfogen och dess närliggande områden snabb uppvärmning och kylning, vilket resulterar i en komplex fördelning av restspänningar i dessa områden. Inhomogeniteten hos dessa spänningsfördelningar kan ha en viktig effekt på svetsens hållfasthet och seghet.
För det tredje, påverkan av restspänning på materialegenskaper
Kvarvarande spänning har en betydande effekt på materialens mekaniska egenskaper. När det gäller sträckgräns, när det finns kvarvarande dragspänningar inuti materialet, kommer det att minska materialets sträckgräns, vilket gör materialet mer benäget för plastisk deformation. Omvänt ökar kvarvarande tryckspänningar materialets sträckgräns i viss utsträckning. För draghållfasthet kommer närvaron av kvarvarande spänning att förändra spänningsfördelningen av materialet i dragprocessen, vilket påverkar dess draghållfasthet. Dessutom kommer restspänningen också att påverka materialets plasticitet, seghet och hårdhet och andra indikatorer. Till exempel ökar kvarvarande dragspänning töjningen av materialet, medan kvarvarande tryckspänning minskar töjningen av materialet. När det gäller hårdhet minskar kvarvarande dragspänning hårdhetsmätningen, medan kvarvarande tryckspänning ökar hårdhetsmätningen.
Effekten av kvarvarande spänning på ett materials utmattningslivslängd är ännu mer kritisk. Under inverkan av alternerande belastning kommer kvarvarande dragspänning att läggas över den applicerade belastningen, vilket accelererar uppkomsten och expansionen av sprickor, vilket avsevärt minskar materialets utmattningslivslängd. Därför, vid konstruktion och tillverkning av mekaniska delar, måste effekterna av restspänning beaktas fullt ut för att undvika utmattningsbrott orsakat av överdriven restspänning.
2. Påverkan på fysikaliska egenskaper
Kvarvarande spänning kommer också att påverka materialets fysikaliska egenskaper. Till exempel, när det gäller termisk expansionskoefficient, kommer restspänningen att förändra materialets inre gitterstruktur, vilket i sin tur påverkar dess termiska expansionsegenskaper. När kvarvarande spänningar finns i ett material kan värmeutvidgningskoefficienten ändras, vilket i vissa temperaturkänsliga applikationer (t.ex. termiska styrsystem i rymd) kan leda till problem med komponenternas passform. Dessutom har kvarvarande spänning en effekt på materialets termiska och elektriska ledningsförmåga. Studier har visat att kvarvarande spänningar kan förvränga atomarrangemanget i ett material, vilket ökar sannolikheten för spridning av fononer och elektroner, och därigenom minskar materialets termiska och elektriska ledningsförmåga. I elektroniska enheter, där värmeavledning och elektrisk ledningsförmåga är kritiska, kan denna effekt från kvarvarande stress leda till en minskning av den termiska effektiviteten och en ökning av enhetens motstånd, vilket i sin tur påverkar enhetens prestanda och stabilitet.