Остаточные напряжения в твердых телах

Введение

Напряжения, сохраняющиеся в твердом материале после снятия первоначальной нагрузки.

В материаловедении и механике твердого тела остаточные напряжения – это напряжения, которые остаются в твердом материале после устранения причины, вызвавшей эти напряжения. Остаточные напряжения могут быть желательными или нежелательными. Например, лазерное упрочнение создает глубокие полезные сжимающие остаточные напряжения в металлических компонентах, таких как лопатки вентиляторов турбинных двигателей, и используется в закаленном стекле для производства больших, тонких и устойчивых к трещинам и царапинам дисплеев для смартфонов. Однако непреднамеренные остаточные напряжения в спроектированной конструкции могут привести к ее преждевременному разрушению. Остаточные напряжения могут возникать в результате различных механизмов, включая неэластичные (пластические) деформации, температурные градиенты (в процессе термического цикла) или структурные изменения (фазовые превращения). Тепло, выделяемое при сварке, может вызывать локальное расширение, которое компенсируется во время сварки либо расплавленным металлом, либо взаимным расположением свариваемых деталей. При охлаждении готового сварного соединения отдельные участки остывают и сжимаются в разной степени, что приводит к возникновению остаточных напряжений. Другой пример наблюдается при производстве полупроводников и микросистем, когда тонкие пленки с различными тепловыми и кристаллическими свойствами последовательно осаждаются в различных технологических условиях. Изменение напряжений по толщине стека тонких пленок может быть очень сложным и варьироваться от сжимающих до растягивающих напряжений от слоя к слою.

Приложения

Несмотря на то, что неконтролируемые остаточные напряжения нежелательны, некоторые конструкции используют их. В частности, хрупкие материалы можно упрочнить, создавая в них остаточные напряжения сжатия, как это происходит в закаленном стекле и предварительно напряженном бетоне. Преобладающим механизмом разрушения хрупких материалов является хрупкий излом, который начинается с образования первоначальной трещины. При приложении к материалу внешней растягивающей нагрузки, на концах трещины возникает концентрация напряжений, увеличивающая местные растягивающие напряжения в этих точках в большей степени, чем среднее напряжение в объеме материала. Это приводит к быстрому увеличению (распространению) первоначальной трещины, поскольку окружающий материал не выдерживает концентрации напряжений, что и вызывает разрушение. Материал, содержащий остаточные напряжения сжатия, помогает предотвратить хрупкий излом, поскольку первоначальная трещина формируется под воздействием сжимающих (отрицательных растягивающих) напряжений. Для того чтобы вызвать хрупкий излом и распространение первоначальной трещины, внешняя растягивающая нагрузка должна преодолеть остаточные напряжения сжатия, прежде чем на концах трещины возникнет достаточное растягивающее напряжение для ее распространения. При изготовлении некоторых мечей используется градиент в образовании мартенсита для получения особенно твердых клинков (в частности, катаны). Разница в остаточных напряжениях между более твердым режущим краем и более мягкой спинкой меча придает таким мечам их характерную изогнутую форму. В закаленном стекле на поверхности создаются сжимающие напряжения, которые уравновешиваются растягивающими напряжениями в объеме стекла. Благодаря остаточным напряжениям сжатия на поверхности, закаленное стекло более устойчиво к образованию трещин, но при разрушении внешней поверхности оно рассыпается на мелкие осколки. Демонстрацией этого эффекта служит «Капля принца Руперта» – научная диковинка в области материаловедения, где расплавленная стеклянная капля быстро охлаждается в воде: поскольку внешняя поверхность остывает и затвердевает первой, при охлаждении и затвердевании всего объема он стремится занять меньший объем, чем уже определен внешней «корой»; это создает растягивающие напряжения в большей части объема, стягивая «кору» и сжимая ее. В результате полученная твердая капля чрезвычайно прочна и выдерживает удары молотком, но если сломать ее длинный хвостик, нарушается равновесие сил, и вся деталь разрушается с большой силой. В некоторых типах орудийных стволов, изготовленных из двух соединенных труб, внутренняя труба сжимается, а внешняя растягивается, предотвращая образование трещин в нарезах при выстреле.

While uncontrolled residual stresses are undesirable, some designs rely on them. In particular, brittle materials can be toughened by including compressive residual stress, as in the case for toughened glass and pre stressed concrete. The predominant mechanism for failure in brittle materials is brittle fracture, which begins with initial crack formation. When an external tensile stress is applied to the material, the crack tips concentrate stress, increasing the local tensile stresses experienced at the crack tips to a greater extent than the average stress on the bulk material. This causes the initial crack to enlarge quickly (propagate) as the surrounding material is overwhelmed by the stress concentration, leading to fracture. A material having compressive residual stress helps to prevent brittle fracture because the initial crack is formed under compressive (negative tensile) stress. To cause brittle fracture by crack propagation of the initial crack, the external tensile stress must overcome the compressive residual stress before the crack tips experience sufficient tensile stress to propagate. The manufacture of some swords utilises a gradient in martensite formation to produce particularly hard edges (notably the katana). The difference in residual stress between the harder cutting edge and the softer back of the sword gives such swords their characteristic curve. In toughened glass, compressive stresses are induced on the surface of the glass, balanced by tensile stresses in the body of the glass. Due to the residual compressive stress on the surface, toughened glass is more resistant to cracks, but shatter into small shards when the outer surface is broken. A demonstration of the effect is shown by Prince Rupert's Drop, a material science novelty in which a molten glass globule is quenched in water: Because the outer surface cools and solidifies first, when the volume cools and solidifies, it "wants" to take up a smaller volume than the outer "skin" has already defined; this puts much of the volume in tension, pulling the "skin" in, putting the "skin" in compression. As a result, the solid globule is extremely tough, able to be hit with a hammer, but if its long tail is broken, the balance of forces is upset, causing the entire piece to shatter violently. In certain types of gun barrels made with two tubes forced together, the inner tube is compressed while the outer tube stretches, preventing cracks from opening in the rifling when the gun is fired.

Остаточный нагрузка на сжатие

Общими методами создания остаточных сжимающих напряжений являются дробеструйная обработка для поверхностей и высокочастотная ударная обработка для основания сварных швов. Глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений варьируется в зависимости от метода. Оба метода могут значительно увеличить срок службы конструкций.

Создание остаточного напряжения

Существуют некоторые методы, которые используются для создания равномерного остаточного напряжения в балке. Например, четырехточечный изгиб позволяет создавать остаточные напряжения путем приложения нагрузки к балке с помощью двух цилиндров.

Обзор

Существует множество методов, используемых для измерения остаточных напряжений, которые обычно классифицируются на разрушающие, полуразрушающие и неразрушающие методы. Выбор метода зависит от необходимой информации и характеристик измеряемого образца. Важными факторами являются глубина/глубина проникновения измерения (поверхностное или по толщине), масштаб длины, над которым проводится измерение (макроскопический, мезоскопический или микроскопический), требуемое разрешение информации, а также состав, геометрия и местоположение образца. Кроме того, некоторые методы требуют проведения в специализированных лабораторных условиях, что делает невозможным проведение измерений непосредственно на объекте для всех методов.

Полудеструктивные методы

Как и деструктивные методы, эти также функционируют по принципу "расслабления напряжений". Однако они удаляют лишь небольшое количество материала, сохраняя общую целостность конструкции. К ним относятся:
Глубокое сверление – измеряет остаточные напряжения по толщине компонента путем снятия напряжений в "ядре", окружающем отверстие малого диаметра. Сверление центрального отверстия – измеряет остаточные напряжения вблизи поверхности путем расслабления напряжений, соответствующего небольшому неглубокому отверстию, просверленному с использованием тензометрической розетки. Сверление центрального отверстия подходит для глубин до 4 мм. В качестве альтернативы для тонких деталей можно использовать сверление глухих отверстий. Сверление центрального отверстия также может выполняться в полевых условиях для проведения испытаний на месте. Сверление кольцевого ядра – аналогично сверлению центрального отверстия, но с большей глубиной проникновения, при этом резка происходит вокруг тензометрической розетки, а не через ее центр.

Снятие остаточного напряжения

Если присутствуют нежелательные остаточные напряжения, возникшие в результате предыдущих операций обработки металла, их величина может быть уменьшена несколькими способами. Эти способы можно классифицировать как термические и механические (или нетермические). Все способы предполагают обработку детали целиком для снятия напряжений.

Теплый метод

Термический метод предполагает равномерное изменение температуры всей детали, либо нагревом, либо охлаждением. Нагрев деталей для снятия напряжений может также называться отпуском для снятия напряжений. Охлаждение деталей для снятия напряжений известно как криогенная обработка для снятия напряжений и встречается относительно редко.

Торты для облегчения стресса

Большинство металлов при нагревании испытывают снижение предела текучести. Если предел текучести материала достаточно снижается при нагревании, то участки внутри материала, в которых остаточные напряжения превышают предел текучести (в нагретом состоянии), начнут течь или деформироваться. В результате материал останется с остаточными напряжениями, не превышающими предел текучести материала в нагретом состоянии. Отпуск для снятия напряжений не следует путать с отжигом или закалкой, которые являются термообработками для повышения пластичности металла. Хотя эти процессы также включают нагрев материала до высоких температур и снижение остаточных напряжений, они также приводят к изменению металлургических свойств, что может быть нежелательно. Для определенных материалов, таких как низколегированная сталь, необходимо соблюдать осторожность при отпуске для снятия напряжений, чтобы не превысить температуру, при которой материал достигает максимальной твердости (см. Закалка в легированных сталях).

Снятие криогенного напряжения

Криогенная релаксация напряжений заключается в помещении материала (обычно стали) в криогенную среду, например, в жидкий азот. В ходе этого процесса материал охлаждается до криогенной температуры на продолжительное время, а затем медленно возвращается к комнатной температуре.

Нетермические методы

Механические методы для снятия нежелательных поверхностных растягивающих напряжений и замены их полезными остаточными сжимающими напряжениями включают в себя дробеструйную обработку и лазерную обработку ударными волнами. Каждый из этих методов воздействует на поверхность материала с помощью рабочего тела: дробеструйная обработка обычно использует металлический или стеклянный материал, а лазерная обработка ударными волнами – высокоинтенсивные световые лучи для создания ударной волны, распространяющейся вглубь материала.