Кіріспе
Қалдық кернеулер – бастапқы себептері жойылғаннан кейін қатты материалда сақталып қалатын кернеулер. Материалдар ғылымы мен қатты механикада қалдық кернеулер – бастапқы себептері жойылғаннан кейін қатты материалда сақталып қалатын кернеулер. Қалдық кернеулер қажетті немесе қажетсіз болуы мүмкін. Мысалы, лазерлік бекіту турбиналық қозғалтқыштың желдеткіштері сияқты металл бөлшектерге пайдалы, терең сығылымдық қалдық кернеулерді енгізеді, сондай-ақ смартфондардағы үлкен, жұқа, сызаттар мен жарықтарға төзімді шыны дисплейлерді жасауға мүмкіндік беретін қатайтылған шыныда қолданылады. Дегенмен, жобаланған конструкциядағы күтпеген қалдық кернеу оның мерзімінен бұрын істен шығуына себеп болуы мүмкін. Қалдық кернеулерге икемсіз (пластикалық) деформациялар, температура градиенттері (термиялық цикл кезінде) немесе құрылымдық өзгерістер (фазалық түрлену) сияқты әртүрлі механизмдер себеп болуы мүмкін. Дәнекерлеуден туындаған жылу жергілікті кеңеюге алып келуі мүмкін, ол дәнекерлеу кезінде балқытылған металл немесе дәнекерленетін бөлшектердің орналасуымен сіңіріледі. Аяқталған дәнекерлеу салқындағанда, кейбір аймақтар басқаларына қарағанда көбірек салқындап, жиырылады, нәтижесінде қалдық кернеулер пайда болады. Тағы бір мысал – жартылай өткізгіштер мен микрожүйелерді жасау кезінде, әртүрлі термиялық және кристалдық қасиеттері бар жұқа пленкалық материалдар әртүрлі процестік жағдайларда бірінен соң бірі жабыстырылады. Жұқа пленкалық материалдар қабаты арқылы кернеудің өзгеруі өте күрделі болуы мүмкін және қабаттан қабатқа сығылымдық және созу кернеулері арасында ауытқуы мүмкін.
In materials science and solid mechanics, residual stresses are stresses that remain in a solid material after the original cause of the stresses has been removed. Residual stress may be desirable or undesirable. For example, laser peening imparts deep beneficial compressive residual stresses into metal components such as turbine engine fan blades, and it is used in toughened glass to allow for large, thin, crack and scratch resistant glass displays on smartphones. However, unintended residual stress in a designed structure may cause it to fail prematurely. Residual stresses can result from a variety of mechanisms including inelastic (plastic) deformations, temperature gradients (during thermal cycle) or structural changes (phase transformation). Heat from welding may cause localized expansion, which is taken up during welding by either the molten metal or the placement of parts being welded. When the finished weldment cools, some areas cool and contract more than others, leaving residual stresses. Another example occurs during semiconductor fabrication and microsystem fabrication when thin film materials with different thermal and crystalline properties are deposited sequentially under different process conditions. The stress variation through a stack of thin film materials can be very complex and can vary between compressive and tensile stresses from layer to layer.
Қолданбалар
Бақыланбайтын қалдық кернеулер жағымсыз болғанымен, кейбір конструкциялар оларға сүйенеді. Атап айтқанда, сынық материалдар, мысалы, қаталданған шыны мен алдын ала керілген бетон, қысымның қалдық кернеуін қосу арқылы қатайтылады. Сынық материалдардың бұзылуының басты механизмі – сынған сыну, ол бастапқы жарық пайда болудан басталады. Материалға сыртқы созу кернеуі қолданылғанда, жарық ұштары кернеуді шоғырландырады, жарық ұштарындағы жергілікті кернеулер материалдың орташа кернеуінен артық болады. Бұл бастапқы жарықтың жылдам өсуіне (таралуына) себеп болады, себебі айналасындағы материал кернеу концентрациясының әсерінен жеңіліп, сынуға алып келеді. Қалдық қысымды кернеуі бар материал сынық сынудың алдын алуға көмектеседі, өйткені бастапқы жарық қысымды (теріс созу) кернеу астында пайда болады. Бастапқы жарықтың таралуы арқылы сынық сынуды тудыру үшін, сыртқы созу кернеуі жарық ұштарында жеткілікті созу кернеуі пайда болмас бұрын, қысымның қалдық кернеуін жеңуі керек. Кейбір қылыштарды жасау кезінде мартенсит түзіліміндегі градиент пайдаланылып, ерекше қатайтылған жиектер (әсіресе катана) жасалады. Қылыштың қатайтылған жиегі мен жұмсақ артқы бөлігі арасындағы қалдық кернеудің айырмашылығы осы қылыштарға тән қисықтық береді. Қаталданған шыныда шыны бетінде қысымды кернеулер туындайды, олар шыны денесіндегі созу кернеулерімен теңестіріледі. Бетіндегі қалдық қысымды кернеудің арқасында қаталданған шыны жарықтарға төзімді, бірақ сыртқы беті сынғанда ұсақ сынықтарға айналады. Бұл эффектті көрсету үшін Принц Руперттің тамшысын, материалтанудағы жаңалықты келтіруге болады, онда балқыған шыны тамшысы суға батырылады: сыртқы бет алдымен суынып, қатаяды, көлем суынып, қатайған кезде сыртқы "қабықша" бұрыннан анықтаған көлемнен кіші көлемді "талап етеді"; бұл көлемнің көп бөлігін созуға, "қабықшаны" тартуға және "қабықшаны" қысымға салуға алып келеді. Нәтижесінде қатты тамшы өте мықты болады, оны балғамен соққыға түсіруге болады, бірақ егер оның ұзын құйрығы сынса, күштердің тепе-теңдігі бұзылады, нәтижесінде бүкіл тамшы күшті түрде сынып кетеді. Екі түтік біріктіріліп жасалған кейбір қару түтікшелерінде ішкі түтік қысылады, ал сыртқы түтік созылады, бұл қару атылған кезде ойықтарда жарықтардың пайда болуына жол бермейді.
Қысымның қалдық кернеуі
Жалпы қолданылатын әдістер қысымдық қалдық кернеуді тудыру үшін – беттерді доғарту және дәнекерлеу тігістеріне жоғары жиілікті соққы әсер ету. Қысымдық қалдық кернеудің тереңдігі қолданылған әдіске қарай өзгеріп отырады. Екі әдіс те конструкциялардың қызмет ету мерзімін едәуір арттыра алады.
Қалдық стресс құру
Бір сәуледе біркелкі қалдық кернеуді жасау үшін кейбір техникалар қолданылады. Мысалы, төрт нүктелі иілу екі цилиндрдің көмегімен сәулеге жүктеме түсіру арқылы қалдық кернеуді енгізуге мүмкіндік береді.
Шолу
Қалдық кернеулерді өлшеу үшін көптеген техникалар қолданылады, олар негізінен бұзушы, жартылай бұзушы және бұзбаушы техникалар болып жіктеледі. Техниканы таңдау қажетті мәліметтерге және өлшенетін сынаманың ерекшеліктеріне байланысты. Мұнда өлшеудің тереңдігі/енуі (беткі немесе қалыңдық бойынша), өлшенетін масштабтың ұзындығы (макроскопиялық, мезоскопиялық немесе микроскопиялық), қажетті мәліметтердің дәлдігі, сондай-ақ сынаманың құрамының геометриясы мен орналасуы ескеріледі. Бұған қоса, кейбір техникаларды арнайы зертханалық жабдықтарда орындау қажет, демек, барлық техникалар үшін "далада" өлшеу мүмкін болмайды.
Жартылай бүлдіруші техникалар
Бұлар да, деструктивті әдістер сияқты, "кернеуді жеңілдету" принципі бойынша жұмыс істейді. Дегенмен, олар материалдың аз ғана бөлігін алып тастап, құрылымның жалпы тұтастығын сақтайды. Оларға мыналар жатады:
Терең тесік бұрғылау – бөлшектің қалыңдығы бойынша қалдық кернеулерді, диаметрі кішкентай бұрғыланған тесіктің айналасындағы кернеуді жеңілдету арқылы өлшейді. Орталық тесік бұрғылау – кернеу өлшегіш розеткасымен шағын, бетке жақын тесік бұрғылау арқылы бет маңындағы қалдық кернеулерді жеңілдету арқылы өлшейді. Орталық тесік бұрғылау 4 мм тереңдікке дейін қолданылады. Сондай-ақ, жұқа бөлшектер үшін тоқылған тесік бұрғылауды пайдалануға болады. Орталық тесік бұрғылауды өрісте де орындауға болады, яғни тікелей сынақ жүргізуге мүмкіндік береді. Сақина тәрізді өзек – Орталық тесік бұрғылауға ұқсас, бірақ тереңдігі артық, ал кесу кернеу өлшегіш розеткасының ортасынан емес, айналасынан жүргізіледі.
Deep Hole Drilling – measures the residual stresses through the thickness of a component by relaxing the stresses in a "core" surrounding a small diameter drilled hole. Centre Hole Drilling – measures the near surface residual stresses by strain release corresponding to a small shallow drilled hole with a strain gauge rosette. Centre hole drilling is appropriate for up to 4 mm in depth. Alternatively, blind hole drilling can be used for thin parts. Center hole drilling can also be performed in the field for on site testing. Ring Core – similar to Centre Hole Drilling, but with greater penetration, and with the cutting taking place around the strain gauge rosette rather than through its centre.
Қалдық стрессті жою
Бұрынғы металл өңдеу операцияларынан туындаған қажетсіз қалдық кернеулер болған жағдайда, олардың мөлшерін бірнеше әдіс арқылы азайту мүмкін. Бұл әдістерді жылулық және механикалық (немесе жылулық емес) әдістерге бөлуге болады. Барлық әдістерде де кернеуді азайту үшін бөлшек толығымен өңделеді.
Жылу әдісі
Термиялық әдіс бүкіл бөлгіштің температурасын біркелкі түрде өзгертуді қамтиды, яғни қыздыру немесе салқындату арқылы. Бөлшектерді кернеуді жеңілдету үшін қыздырғанда, бұл процеске кернеуді жеңілдетуге арналған қыздыру деп те айтуға болады. Кернеуді жеңілдету үшін бөлшектерді салқындату криогендік кернеуді жеңілдету деп аталады, және мұндай жағдай сирек кездеседі.
Стресс-қату тостаған
Көптеген металдар қыздырылғанда шығымдылық шегі төмендейді. Егер материалдың шығымдылық шегі қыздыру арқылы жеткілікті түрде төменделсе, материал ішінде қалдық кернеулер шығымдылық шегінен (қыздырылған күйде) жоғары болған жерлерде шығымдылық шегі төмендеп немесе деформацияланады. Бұл материалды қалдық кернеулермен қалдырады, олардың деңгейі материалдың қыздырылған күйіндегі шығымдылық шегінен аспайды. Кернеуді азайту үшін қыздыруды (stress relief bake) металдың серпімділігін арттыруға арналған қайта кристалдандыру (annealing) немесе темперлеу (tempering) сияқты жылумен өңдеулермен шатастырмау керек. Осы процестер материалды жоғары температураға дейін қыздыруды және қалдық кернеулерді азайтуды қамтиды, бірақ олар металлургиялық қасиеттерді де өзгертеді, бұл қажетсіз болуы мүмкін. Белгілі бір материалдар үшін, мысалы, төмен легирленген болат үшін, кернеуді азайту кезінде материалдың максималды қаттылығына жететін температурадан аспау үшін сақ болу керек (Төмен легирленген болаттарды темперлеу қараңыз).
Криогендік стрессті жеңілдету
Криогендік кернеуді азайту процесінде материал (әдетте болат) сұйық азот сияқты криогендік ортаға салынады. Осы процесте кернеуді азайту қажетті материал ұзақ уақыт бойы криогендік температураға дейін салқындатылып, содан кейін біртіндеп бөлме температурасына дейін қыздырылады.
Термиялық емес әдістер
Жағымсыз беткі кернеуді азайту және оларды пайдалы қысымдық қалдық кернеулермен алмастыру үшін механикалық әдістерге домалақ соққымен өңдеу (shot peening) және лазерлік соққымен өңдеу (laser peening) жатады. Екеуі де материалдың бетін әсер ететін орта арқылы өңдейді: домалақ соққымен өңдеуде әдетте металл немесе шыны қолданылады; лазерлік соққымен өңдеу материалдың тереңіне таралатын соққы толқынын тудыратын жоғары қарқынды жарық сәулелерін пайдаланады.