Az anyagfeldolgozás és -gyártás folyamatában gyakori jelenség a maradó feszültség, amely jelentős hatással van az anyagok teljesítményére és élettartamára. A maradékfeszültség okainak, a térbeli eloszlási jellemzőknek és az anyagtulajdonságokra gyakorolt hatásának megértése, a termékminőség javítása, a biztonsági balesetek megelőzése nagy jelentőséggel bír.
I. A maradék stressz okai
A maradék feszültség az anyagfeldolgozás végére vonatkozik, a munkadarab továbbra is megtartja a belső feszültséget. Ez a stressz elsősorban a következő szempontokból adódik:
1. Egyenetlen képlékeny alakváltozás
Ha a munkadarab összetett terhelésnek van kitéve (például hideghengerlés, húzás, extrudálás és felületi súrlódás, hengerlés, stb.), a keresztmetszetre ható egyenetlen erő miatt a nagy erőhatás helye plasztikus deformációt, míg a kis erő helye továbbra is rugalmas alakváltozást okozhat. Terheletlen állapotban ezek az egyenetlen képlékeny alakváltozások maradék feszültségekhez vezethetnek a munkadarabon belül. Pontosabban, a feszített területek a tehermentesítés után nyomófeszültségnek vannak kitéve, míg a szomszédos területek húzófeszültségnek vannak kitéve. Ez az egyenetlen képlékeny alakváltozás miatti maradó feszültség a megmunkálási folyamatok gyakori feszültségi formája.
2. Inhomogén hőmérsékletmező termikus hatásai
A hőfeldolgozás során a fűtési és hűtési folyamatok általában nagyon összetettek, gyors fűtést és hűtést, valamint helyi fűtést és hűtést foglalnak magukban. Mivel a hőt csak a felületen keresztül lehet átadni, a munkadarab hőtágulásában különbségek lesznek a melegítés és hűtés során fellépő hőmérsékleti inhomogenitás miatt, ami viszont átmeneti hőfeszültségeket generál. Ha ezeknek a tranziens hőfeszültségeknek az értéke meghaladja az anyag magas hőmérsékleti folyáshatárát, bizonyos területeken képlékeny alakváltozás lép fel. A hevítési folyamat végén, bár a munkadarab szobahőmérsékletre hűlt, a munkadarabon belül maradó feszültségek keletkeznek a hevítési folyamat során bekövetkező egyenetlen képlékeny alakváltozás miatt. Az egyenetlen hőmérsékleti mezők miatti ilyen maradékfeszültségek különösen gyakoriak a hőkezelési eljárásokban.
3. Fázisátmeneti hatások
Az anyagfeldolgozás során a kohászati szervezet megváltozása (pl. ausztenit martenzitté alakulása a kioltás során) az anyag belső fajlagos térfogatának megváltozásához vezet, ami viszont fázisátalakulási feszültségeket generál. Ez a fázisátalakulási feszültség a feldolgozás után is a munkadarab belsejében marad, és maradék feszültséget képez.
Másodszor, a maradó feszültség jellemzőinek térbeli eloszlása
A maradékfeszültség térbeli eloszlása az okától és a feldolgozás konkrét körülményeitől függ. Általánosságban elmondható, hogy a maradék feszültség három kategóriába sorolható: makro-maradványfeszültség, mikro-maradványfeszültség és ultra-mikro-maradványfeszültség.
1. Makro maradékfeszültség
A makroszkopikus maradékfeszültség a munkadarab egészében vagy a maradékfeszültség makrotartományában van az egyensúly eléréséhez. Ennek a feszültségnek az eloszlása általában egyenletesebb, nagyobb hatással van a munkadarab összteljesítményére. A folyamat során az egyenetlen képlékeny deformáció vagy a termikus hatás egyenetlen hőmérsékleti mezője miatt a munkadarab makro húzó- vagy nyomófeszültséget hoz létre.
2. Mikro maradványfeszültség
A mikroszkopikus maradó feszültségek olyan maradó feszültségek, amelyek a munkadarabon belül néhány szemcsén belül elérik az egyensúlyt. Ennek a feszültségnek az eloszlása általában összetettebb, a szemcse alakja, mérete és orientációja és egyéb tényezők. A plasztikus deformáció során a szemcsekölcsönhatások és a szemcsehatárok jelenléte miatt mikroszkopikus húzó- vagy nyomómaradék feszültségek keletkeznek. Ezek a feszültségek jelentős hatással vannak az anyag helyi tulajdonságaira, mint például a kifáradási szilárdságra és a repedésnyújtási sebességre.
3. Ultramikroszkópos maradékfeszültség
Az ultramikroszkópos maradékfeszültség nagyszámú atomi felület a munkadarabban, atomoszlopok a maradékfeszültség egyensúlyához közel. Ennek a feszültségnek az eloszlása összetettebb, és összefügg az anyag mikroszerkezetével, valamint a hibákkal és egyéb tényezőkkel. A fázisátalakítások során ultramikroszkópos húzó vagy nyomó maradó feszültségek keletkeznek a rácstorzulások és hibák miatt. Ezek a feszültségek befolyásolják az anyag fizikai és kémiai tulajdonságait.
A maradó feszültségek térbeli eloszlási jellemzői nemcsak okaiktól függenek, hanem szorosan összefüggenek a folyamat sajátos körülményeivel is. Például a hegesztési folyamat során a hegesztési varrat és a szomszédos területek gyorsan felmelegednek és lehűlnek, ami a maradék feszültségek komplex eloszlását eredményezi ezeken a területeken. Ezen feszültségeloszlások inhomogenitása jelentős hatással lehet a varrat szilárdságára és szívósságára.
Harmadszor, a maradék feszültség hatása az anyag tulajdonságaira
A maradékfeszültség jelentős hatással van az anyagok mechanikai tulajdonságaira. Ami a folyáshatárt illeti, ha az anyagon belül maradó húzófeszültségek vannak, az csökkenti az anyag folyáshatárát, így az anyag hajlamosabbá válik a képlékeny deformációra. Ezzel szemben a maradék nyomófeszültségek bizonyos mértékig növelik az anyag folyáshatárát. A szakítószilárdság tekintetében a maradó feszültség jelenléte megváltoztatja az anyag feszültségeloszlását a húzási folyamatban, így befolyásolja annak szakítószilárdságát. Ezen túlmenően a maradó feszültség hatással lesz az anyag plaszticitására, szívósságára és keménységére és egyéb mutatókra is. Például a maradék húzófeszültség növeli az anyag nyúlását, míg a maradék nyomófeszültség csökkenti az anyag nyúlását. A keménység tekintetében a maradó húzófeszültség csökkenti a keménységmérés mértékét, míg a maradó nyomófeszültség növeli a keménységmérés mértékét.
A maradék feszültség hatása az anyag kifáradási élettartamára még kritikusabb. Változó terhelés hatására a maradó húzófeszültség az alkalmazott terhelésre rákerül, felgyorsítva a repedések kialakulását és tágulását, jelentősen csökkentve az anyag kifáradási élettartamát. Ezért a mechanikai alkatrészek tervezése és gyártása során a maradék feszültség hatását teljes mértékben figyelembe kell venni, hogy elkerüljük a túlzott maradékfeszültség okozta kifáradási meghibásodást.
2. Fizikai tulajdonságokra gyakorolt hatás
A maradék feszültség az anyag fizikai tulajdonságaira is hatással lesz. Például a hőtágulási együttható tekintetében a maradó feszültség megváltoztatja az anyag belső rácsszerkezetét, ami viszont befolyásolja annak hőtágulási jellemzőit. Ha egy anyagban maradó feszültségek vannak jelen, a hőtágulási együttható megváltozhat, ami bizonyos hőmérséklet-érzékeny alkalmazásokban (pl. légi és űrhajózási hőszabályozó rendszerek) problémákhoz vezethet az alkatrészek illeszkedésében. Ezenkívül a maradék feszültség hatással van az anyag hő- és elektromos vezetőképességére. Tanulmányok kimutatták, hogy a maradék feszültségek torzíthatják az anyagon belüli atomi elrendezést, növelve a fononok és elektronok szórásának valószínűségét, ezáltal csökkentve az anyag hő- és elektromos vezetőképességét. Az elektronikus eszközökben, ahol a hőleadás és az elektromos vezetőképesség kritikus fontosságú, ez a maradó feszültség hatása a hőhatékonyság csökkenéséhez és az eszköz ellenállásának növekedéséhez vezethet, ami viszont befolyásolja az eszköz teljesítményét és stabilitását.
