Materiālu apstrādes un ražošanas procesā atlikušais spriegums ir izplatīta parādība, kas būtiski ietekmē materiālu veiktspēju un kalpošanas laiku. Izpratne par atlikušā sprieguma cēloņiem, telpiskā sadalījuma raksturlielumiem un to ietekmi uz materiāla īpašībām, lai uzlabotu produktu kvalitāti, drošības negadījumu novēršanai ir liela nozīme.
I. Atlikušā stresa cēloņi
Atlikušais spriegums attiecas uz materiāla apstrādes beigām, sagatave joprojām saglabā iekšējo spriegumu. Šis stress galvenokārt rodas no šādiem aspektiem:
1. Nevienmērīga plastiskā deformācija
Ja apstrādājamā detaļa tiek pakļauta sarežģītām slodzēm (piemēram, aukstā velmēšana, vilkšana, ekstrūzija un virsmas velmēšana, velmēšana utt.), nevienmērīga spēka dēļ uz šķērsgriezumu liela spēka vieta var radīt plastisku deformāciju, bet maza spēka vietā joprojām var būt elastīga deformācija. Izkraujot, šīs nevienmērīgās plastiskās deformācijas var izraisīt atlikušo spriegumu apstrādājamā detaļā. Konkrēti, izstieptās zonas pēc izkraušanas tiek pakļautas spiedes spriegumiem, savukārt blakus esošās zonas ir pakļautas stiepes spriegumi. Šis atlikušais spriegums nevienmērīgas plastiskās deformācijas dēļ ir izplatīts sprieguma veids apstrādes procesos.
2. Neviendabīga temperatūras lauka termiskā ietekme
Termiskajā apstrādē sildīšanas un dzesēšanas procesi parasti ir ļoti sarežģīti, ietverot ātru uzsildīšanu un dzesēšanu, kā arī lokālu sildīšanu un dzesēšanu. Tā kā siltumu var pārnest tikai caur virsmu, sagatavei būs atšķirības termiskajā izplešanā temperatūras neviendabīguma dēļ sildīšanas un dzesēšanas laikā, kas savukārt rada pārejošus termiskos spriegumus. Kad šo pārejošo termisko spriegumu vērtība pārsniedz materiāla augstās temperatūras tecēšanas robežu, noteiktos apgabalos notiek plastiskā deformācija. Kad karsēšanas process ir beidzies, lai gan apstrādājamā detaļa ir atdzisusi līdz istabas temperatūrai, sagatavē rodas atlikušie spriegumi sildīšanas procesa laikā notiekošo nevienmērīgo plastisko deformāciju dēļ. Šādi atlikušie spriegumi nevienmērīgu temperatūras lauku dēļ ir īpaši izplatīti termiskās apstrādes procesos.
3. Fāzes pārejas efekti
Materiāla apstrādes laikā izmaiņas metalurģiskajā organizācijā (piemēram, austenīta pārvēršanās par martensītu rūdīšanas laikā) izraisa materiāla iekšējā īpatnējā tilpuma izmaiņas, kas savukārt rada fāzes pārejas spriegumus. Šis fāzes pārejas spriegums arī pēc apstrādes paliks sagataves iekšpusē, veidojot atlikušo spriegumu.
Otrkārt, atlikušā sprieguma raksturlielumu telpiskais sadalījums
Atlikušā sprieguma telpiskais sadalījums ir atkarīgs no tā cēloņa un īpašajiem apstrādes apstākļiem. Vispārīgi runājot, atlikušo spriegumu var iedalīt trīs kategorijās: makro atlikušais spriegums, mikro atlikušais spriegums un ultra{1}}mikro atlikušais spriegums.
1. Makro atlikušais spriegums
Lai sasniegtu līdzsvaru, makroskopiskais atlikušais spriegums ir sagatavē kopumā vai atlikušā sprieguma makro diapazonā. Šī sprieguma sadalījums parasti ir vienmērīgāks, lielāka ietekme ir sagataves kopējai veiktspējai. Šajā procesā nevienmērīgas plastiskās deformācijas vai termiskā efekta nevienmērīga temperatūras lauka dēļ sagatave radīs makro stiepes vai spiedes atlikušo spriegumu.
2. Mikro atlikušais spriegums
Mikroskopiskie atlikušie spriegumi ir atlikušie spriegumi, kas sasniedz līdzsvaru dažos sagataves graudos. Šī sprieguma sadalījums parasti ir sarežģītāks, kā arī graudu forma, izmērs un orientācija un citi faktori. Plastiskās deformācijas laikā graudu mijiedarbības un graudu robežu klātbūtnes dēļ rodas mikroskopiski stiepes vai spiedes atlikušie spriegumi. Šie spriegumi būtiski ietekmē materiāla vietējās īpašības, piemēram, noguruma izturību un plaisu pagarinājuma ātrumu.
3. Ultra-mikroskopisks atlikušais spriegums
Ultra-mikroskopiskais atlikušais spriegums ir liels skaits atomu virsmu apstrādājamā detaļā, atomu kolonnas, kas atrodas tuvu atlikušā sprieguma līdzsvaram. Šī sprieguma sadalījums ir sarežģītāks, un tas ir saistīts ar materiāla mikrostruktūru un defektiem un citiem faktoriem. Fāzu transformāciju laikā režģa deformāciju un defektu dēļ rodas ultramikroskopiski stiepes vai spiedes atlikušie spriegumi. Šie spriegumi ietekmē materiāla fizikālās un ķīmiskās īpašības.
Atlikušo spriegumu telpiskās sadalījuma īpašības ir atkarīgas ne tikai no to cēloņiem, bet arī ir cieši saistītas ar procesa specifiskajiem apstākļiem. Piemēram, metināšanas procesā metināšanas šuve un tās blakus esošās zonas strauji uzsilst un atdziest, kā rezultātā šajās zonās tiek sarežģīti sadalīti atlikušie spriegumi. Šo sprieguma sadalījumu neviendabīgums var būtiski ietekmēt metinātās šuves izturību un stingrību.
Treškārt, atlikušā sprieguma ietekme uz materiāla īpašībām
Atlikušais spriegums būtiski ietekmē materiālu mehāniskās īpašības. Runājot par tecēšanas robežu, ja materiālā ir atlikušie stiepes spriegumi, tas samazinās materiāla tecēšanas robežu, padarot materiālu vairāk pakļautu plastiskai deformācijai. Un otrādi, atlikušie spiedes spriegumi zināmā mērā palielina materiāla tecēšanas robežu. Attiecībā uz stiepes izturību, atlikušā sprieguma klātbūtne izmainīs materiāla sprieguma sadalījumu stiepes procesā, tādējādi ietekmējot tā stiepes izturību. Turklāt atlikušais spriegums ietekmēs arī materiāla plastiskumu, stingrību un cietību un citus rādītājus. Piemēram, atlikušais stiepes spriegums palielina materiāla pagarinājumu, bet atlikušais spiedes spriegums samazina materiāla pagarinājumu. Runājot par cietību, atlikušais stiepes spriegums samazina cietības mērījumu, bet atlikušais spiedes spriegums palielina cietības mērījumu.
Atlikušā sprieguma ietekme uz materiāla noguruma kalpošanas laiku ir vēl kritiskāka. Mainīgas slodzes ietekmē atlikušais stiepes spriegums tiks pārklāts ar pielietoto slodzi, paātrinot plaisu rašanos un izplešanos, ievērojami samazinot materiāla noguruma kalpošanas laiku. Tāpēc, projektējot un ražojot mehāniskās daļas, pilnībā jāņem vērā atlikušā sprieguma ietekme, lai izvairītos no noguruma atteices, ko izraisa pārmērīgs atlikušais spriegums.
2. Ietekme uz fizikālajām īpašībām
Atlikušais spriegums ietekmēs arī materiāla fizikālās īpašības. Piemēram, termiskās izplešanās koeficienta izteiksmē atlikušais spriegums mainīs materiāla iekšējo režģa struktūru, kas savukārt ietekmēs tā termiskās izplešanās raksturlielumus. Ja materiālā ir atlikušie spriegumi, termiskās izplešanās koeficients var mainīties, kas dažos temperatūras jutīgos lietojumos (piemēram, termiskās kontroles sistēmās aviācijā) var radīt problēmas ar detaļu piemērotību. Turklāt atlikušais spriegums ietekmē materiāla siltumvadītspēju un elektrisko vadītspēju. Pētījumi ir parādījuši, ka atlikušie spriegumi var izkropļot atomu izvietojumu materiālā, palielinot fononu un elektronu izkliedes iespējamību, tādējādi samazinot materiāla siltumvadītspēju un elektrisko vadītspēju. Elektroniskajās ierīcēs, kur siltuma izkliede un elektrovadītspēja ir kritiska, šī atlikušā sprieguma ietekme var izraisīt siltuma efektivitātes samazināšanos un ierīces pretestības palielināšanos, kas savukārt ietekmē ierīces veiktspēju un stabilitāti.
