Что такое остаточное напряжение? Причины, виды и методы измерения.

Остаточные напряжения — это невидимая сила, скрытая внутри ваших компонентов. Они могут изменять размеры, сокращать срок службы компонентов и нарушать графики поставок, не давая никаких заметных предупреждений или признаков. Во многих производственных проектах деформация, доработка и преждевременные отказы являются не результатом плохого проектирования, а следствием внутренних напряжений, возникших в процессе механической обработки, сварки и термообработки. Эта статья поможет вам понять, что такое остаточные напряжения, откуда они берутся и как их можно контролировать и снимать. Принятие проектных и производственных решений совместно с надежным производственным партнером помогает контролировать остаточные напряжения. Вот полное руководство по остаточным напряжениям. Оставайтесь с нами!

Что такое остаточное напряжение?

Остаточные напряжения — это внутренние напряжения, которые самоуравновешиваются и сохраняются в готовой детали после снятия всех внешних сил и тепловых нагрузок. В практических проектах всегда возникает вопрос: «Присутствуют ли остаточные напряжения уже в материале или они появляются в готовой детали?» На самом деле, существуют оба типа. Остаточные напряжения в материале являются результатом обработки сырья. В то время как остаточные напряжения в готовом изделии создаются в результате механической обработки, формовки, сварки и обработки поверхности.

Для лучшего понимания, ниже приведены ссылки, объясняющие, что такое остаточное напряжение:

В качестве простого примера можно рассмотреть пружину сжатия. При пластической деформации и последующем освобождении она сохраняет некоторую остаточную деформацию. Это скрытое напряжение, невидимое, но влияющее на работоспособность.

Все конструкционные материалы обладают остаточными напряжениями?

С точки зрения производства, остаточные напряжения присутствуют практически во всех конструкционных материалах. Для металлов остаточные напряжения возникают после прокатки, ковки, литья, сварки и обработки на станках с ЧПУ. Для пластмасс остаточные напряжения возникают после литья под давлением, экструзии и термоформования. Величина и местоположение остаточных напряжений могут быть различными, но их наличие — это неизбежная реальность в промышленном производстве.

Основные требования к остаточному напряжению

Напряжение Это может включать в себя вклад упругой нагрузки, пластической деформации или разницы температур. Когда внешняя нагрузка снимается после неравномерной пластической или термической деформации, несовместимое упругое восстановление в разных областях приводит к возникновению остаточных напряжений. Остаточных напряжений не существовало бы, если бы материал вообще не мог упруго восстанавливаться.

Остаточные напряжения в конструкционных материалах

В производственной отрасли понимание остаточных напряжений в различных материалах помогает оптимизировать процессы механической обработки и контроля качества. Ниже приведены различия в реакциях металлов и пластмасс на некоторые из них. процессы обработки и контроля качества:

Остаточные напряжения в металле

В металлических деталях могут возникать внутренние остаточные напряжения в результате прокатки, сварки, термообработки и даже из-за... CNC-обработкаСилы резания и выделяемое при этом тепло в основном воздействуют на внешнюю поверхность детали. В большинстве случаев остаточные напряжения находятся непосредственно под поверхностью детали и располагаются на глубине от 0.05 до 2 мм.

Остаточные напряжения в пластмассах

В случае пластиковых деталей остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, ориентации атомов и явлений усадки. При высоком уровне внутренних остаточных напряжений часто наблюдаются деформация, обесцвечивание под воздействием напряжений и отсроченные разрушения.

Разница: остаточные напряжения в металлах и пластмассах.

Здесь мы поговорим о различиях в остаточных напряжениях между металлическими и пластиковыми деталями или областями применения:

Что вызывает остаточный стресс?

Остаточные напряжения в основном возникают из-за неоднородной деформации или температурных градиентов, которые наблюдаются в процессе производства. В данном разделе рассматриваются некоторые распространенные механизмы возникновения остаточных напряжений.

Эффекты, вызванные механической обработкой

Эффекты, возникающие в процессе обработки, являются результатом высоких сил резания, износа режущего инструмента и неравномерной подачи. Небольшие и концентрированные участки подвергаются пластическому течению. Недостаточный контроль процесса чистовой обработки обычно приводит к остаточным растягивающим напряжениям. С другой стороны, тщательный контроль параметров процесса также может создавать остаточные сжимающие напряжения, что является преимуществом.

Температурные колебания

Нельзя недооценивать роль температурных перепадов, поскольку они играют решающую роль в возникновении внутренних или остаточных напряжений в материале при его быстром расширении или сжатии. Например, во время сварки или закалки материал сначала быстро расширяется, а затем охлаждается. В результате при охлаждении материала возникает остаточное напряжение из-за неравномерности процесса.

Фазовое преобразование

Фазовые превращения также являются причиной остаточных напряжений. Например, в случае сталей фазовые превращения, такие как превращение аустенита в мартенсит, сопровождаются изменением объема. Это изменение может создавать остаточные напряжения даже без приложения внешней нагрузки.

Обработка поверхности

Обработка поверхности представляет собой преднамеренное изменение поверхности с помощью таких методов, как дробеструйная обработка или лазерная обработка, в результате чего на поверхность внедряются остаточные сжимающие напряжения. Это повышает сопротивление усталости.

Влияние остаточного напряжения

Остаточные напряжения не оказывают ни положительного, ни отрицательного воздействия. Все зависит от знака, положения и величины остаточных напряжений относительно производственных планов.

Пассивное влияние

Чрезмерное поверхностное натяжение может вызывать такие проблемы, как усталостная прочность и нестабильность размеров. Вы можете столкнуться со следующими проблемами:

• Остаточное напряжение растяжения сократит срок службы при усталостных нагрузках.
• После удаления материала возникла неожиданная деформация.
• Допустимые отклонения варьируются в зависимости от вариаций размеров.

Эти проблемы увеличивают риски, связанные с доставкой, и затраты на переделку.

Положительное влияние

Остаточные напряжения, в частности остаточные напряжения сжатия, обладают рядом полезных свойств для материалов и деталей. Они повышают эффективную прочность и несущую способность — например, автофреттирование позволяет толстостенным сосудам высокого давления выдерживать более высокое давление, а предварительное напряжение значительно повышает прочность на растяжение бетона и закаленного стекла.

Каковы преимущества остаточного стресса?

Остаточные напряжения могут быть очень полезным инструментом в производстве, если правильно их учитывать. В противном случае они могут стать серьезной проблемой. Некоторые из преимуществ обсуждаются здесь:

Увеличение срока службы деталей при усталостных нагрузках

Поверхностные сжимающие напряжения могут снижать растягивающее напряжение. Компоненты, подвергающиеся циклической нагрузке, сначала должны преодолеть остаточные сжимающие напряжения, прежде чем начнётся диапазон растягивающих напряжений. Во многих промышленных деталях это может значительно увеличить срок службы при усталости, от 30% до 300%, в зависимости от материала и используемого процесса обработки поверхности.

Улучшение износостойкости

Сжимающее напряжение повышает стабильность твердости поверхности и устойчивость к микропиттингу. В таких областях применения, как зубчатые передачи и скользящие компоненты, это особенно полезно.

Повышение коррозионной стойкости

Уменьшение количества мест зарождения трещин снижает коррозионное растрескивание под напряжением в агрессивных средах.

Большая размерная стабильность

Равномерное распределение внутренних остаточных напряжений снижает деформацию в процессе обработки. Это помогает поддерживать стабильные размеры с жесткими допусками в массовом производстве.

Типы остаточного напряжения

Остаточные напряжения внутри компонента могут принимать различные формы. Важно понимать эти типы при выборе методов контроля и целей обеспечения качества. С точки зрения производства, остаточные напряжения можно в целом определить по тому, как они распределены внутри компонента и являются ли они источником сжимающего или растягивающего напряжения. Определение типа остаточных напряжений внутри ваших компонентов позволит вам лучше оценить риски деформации, разрушения и усталостного разрушения. Это поможет вам выбрать необходимые меры контроля процесса для повышения надежности ваших компонентов.

Типы остаточных напряжений в зависимости от масштаба

Остаточные напряжения можно классифицировать в зависимости от степени их распределения в компоненте. Эта система классификации позволит определить, какое воздействие напряжение с большей вероятностью окажет на общую форму компонента, свойства материала на локальном уровне или на структурную целостность компонента.

Макроостаточное напряжение

Макроостаточные напряжения действуют на всю деталь или на большие участки компонента. Они возникают из-за неравномерного охлаждения, сварки и/или неравномерной термообработки. Макроостаточные напряжения приводят к общей деформации, изгибу, скручиванию и потере размеров после механической обработки или снятия напряжений.

Микроостаточное напряжение

Микроостаточные напряжения присутствуют между отдельными зернами материала. Они возникают в результате локальной пластической деформации, происходящей во время формования, прокатки, ковки и механической обработки. Эти напряжения влияют на локальные прочностные и усталостные свойства, вызывая раннее образование трещин на уровне зерен.

Микроструктурные остаточные напряжения

Это напряжение возникает в зернах и на границах раздела фаз в кристаллической микроструктуре. Причинами этого типа напряжений являются фазовые превращения, несоответствие решеток и термическое расширение фаз в процессе термообработки. Это напряжение напрямую влияет на долговременную стабильность и проявляет локальные различия в твердости и усталостной прочности. Оно в основном встречается в сплавах и термообработанных компонентах.

Типы остаточных напряжений по знаку: сжимающие и растягивающие.

С точки зрения производства и эксплуатационных характеристик, остаточные напряжения также классифицируются в зависимости от того, являются ли они растягивающими или сжимающими. Это зависит от направления напряжения, которое оказывает прямое влияние на усталость и образование трещин.

Остаточное напряжение сжатия

Сжимающие остаточные напряжения, как правило, увеличивают усталостную долговечность, ограничивая развитие трещин. Они препятствуют раскрытию трещин и замедляют их рост. Сжимающие остаточные напряжения могут быть вызваны такими производственными процессами, как дробеструйная обработка, лазерная обработка, контролируемая финишная обработка и полировка. Они также снижают вероятность коррозионного растрескивания под напряжением.

Остаточное напряжение растяжения

Остаточные напряжения растяжения обычно приводят к сокращению срока службы при усталостных нагрузках из-за преждевременного образования трещин. Растягивающий характер напряжений способствует раскрытию трещин и их росту. Сварка, агрессивная механическая обработка, пригорание при шлифовании и быстрое охлаждение являются основными причинами возникновения этих остаточных напряжений. Поскольку это способствует раскрытию трещин, возрастает вероятность коррозионного растрескивания под напряжением.

Как измерить остаточное напряжение?

Существует множество методов анализа остаточных напряжений. Распространенные методы можно условно разделить на неразрушающие, полуразрушающие и разрушающие. Однако на практике выбор метода полностью зависит от требуемого уровня точности. Промышленные предприятия могут быть обязаны подтвердить соответствие стандартам ASTM E915 и ASTM E2860 для испытаний на остаточные напряжения.

Неразрушающий метод

Неразрушающие методы позволяют измерять остаточные напряжения без повреждения образца. Таким образом, образец сохраняет свою пригодность после проведения испытаний на остаточные напряжения. Этот метод особенно эффективен, когда рассматриваемая деталь уже изготовлена ​​и имеет высокую ценность.

• Дифракция рентгеновских лучей

Рентгеновская дифракция считается предпочтительным неразрушающим методом определения остаточных напряжений. Этот метод измеряет небольшие изменения в структуре кристаллической решетки для выявления остаточных напряжений на поверхности. Рентгеновский анализ поверхности дает быстрые и надежные результаты для контроля качества и проверки процессов.

Полуразрушающий метод

Полуразрушающие методы включают измерение остаточных напряжений после контролируемого воздействия. Компонент при этом остается функциональным. Это лучший вариант, особенно в ситуациях, когда необходимы данные о состоянии приповерхностного слоя, но компонент нельзя разрушить.

• Метод сверления отверстий

Остаточное напряжение измеряется путем создания небольшого отверстия в материале и последующего наблюдения за релаксацией окружающего материала. Впоследствии эта релаксация используется для оценки распределения напряжений под поверхностью.

Метод деструктивного воздействия

Разрушающие методы используются, когда необходимо получить полное распределение напряжений внутри образца и когда нет проблем с его повреждением. Они обеспечивают большую точность, чем методы, при которых собирается только информация о поверхности.

• Метод контурирования

Контурный метод — это методика измерения остаточных напряжений в детали путем ее разрезания на две части и измерения результирующей деформации срезов. Измеренные значения деформации затем используются для расчета полного профиля остаточных напряжений поперечного сечения, поэтому этот метод очень подходит для процедур проверки и анализа отказов.

Как контролировать или снимать остаточный стресс?

С точки зрения производства, полностью избежать остаточных напряжений невозможно. Однако их можно контролировать и снижать с помощью грамотных конструктивных решений. В большинстве случаев проблема заключается не в материале, а в геометрии, несбалансированной обработке или отсутствии этапов снятия напряжений в процессе производства. Устранение этих проблем на начальном этапе позволяет снизить риск деформации и улучшить стабильность размеров изделия. Ниже рассмотрены факторы, которые могут помочь контролировать остаточные напряжения:

Оптимизация конструкции деталей

Для снижения остаточных напряжений на начальном этапе проектирования деталей следует обеспечить плавный переход между различными областями, а также избегать использования тонких стенок или резких изменений толщины стенок. Это обеспечит равномерное распределение деформаций и напряжений в деталях и снижение остаточных напряжений, а также предотвратит изгиб или скручивание после завершения обработки.

Настройте параметры обработки

остаточные напряжения при обработке на станках с ЧПУ На него могут напрямую влиять такие факторы, как скорость резания, скорость подачи, глубина резания и геометрия инструмента. Можно свести к минимуму растягивающие напряжения на поверхности и создать более желательные сжимающие напряжения на критически важных поверхностях, оптимизируя эти факторы и выбирая оптимальный порядок черновой и чистовой обработки. Это приведет к улучшению стабильности размеров и увеличению усталостной долговечности.

Термическая обработка

Термообработка для снятия внутренних напряжений — один из наиболее эффективных методов снятия остаточных внутренних напряжений. Для большинства распространенных стальных материалов снятие напряжений обычно проводится при температуре от 550 до 650 ℃. Этот метод позволяет снять внутренние напряжения без влияния на механические свойства материала, что делает его очень эффективным методом для предварительной обработки или сборки.

Взаимосвязь: остаточное напряжение против остаточной деформации

Остаточные напряжения и остаточные деформации тесно взаимосвязаны. Оба явления возникают в результате производственных процессов, таких как формовка, механическая обработка, сварка и термообработка. При неравномерной деформации или нагреве детали часть деформации является необратимой, в то время как другие части стремятся к упругому восстановлению.

После снятия нагрузки или ограничения остаточная деформация становится неравномерной. Разные участки стремятся вернуться в исходное положение на разную величину, но при этом должны оставаться соединенными. Эта несовместимость создает самоуравновешивающие внутренние силы — остаточное напряжение. Остаточная деформация — это остаточная остаточная деформация. С точки зрения производства, оба фактора влияют на точность размеров, посадку и долговременную работоспособность детали.

Что такое остаточное напряжение?

Остаточная деформация определяется как необратимое искажение компонента вследствие отсутствия внешних сил или изменений температуры. Остаточная деформация является мерой необратимого изменения геометрии, которое в основном связано с пластической деформацией.

В чём заключаются их различия?

Однако в закрытом варианте есть некоторые отличия, такие как воздействие на детали и производственные риски.

Заключение

Когда речь идет о контроле процесса производства промышленных товаров, остаточные напряжения следует рассматривать скорее как нечто, что нужно контролировать, а не как нечто, чего следует избегать. При неконтролируемых остаточных напряжениях оптимизированные конструктивные решения, точные операции обработки на станках с ЧПУ, соответствующая обработка поверхности деталей и адекватные стратегии измерения позволяют существенно повысить надежность продукции в процессе эксплуатации. Опытная компания, предоставляющая услуги механической обработки, может обеспечить значительные преимущества в улучшении производственных процессов, касающихся остаточных напряжений, в работе с клиентами.

FAQ

Что такое остаточное напряжение при сварке?

Остаточные напряжения, возникающие в процессе сварки, обусловлены интенсивным локальным нагревом и последующим быстрым охлаждением сварочного материала. В ходе этого процесса окружающий материал сопротивляется явлениям усадки, что приводит к возникновению растягивающих и сжимающих напряжений в зоне термического воздействия.

Что такое остаточное натяжение?

Остаточное напряжение определяется как любое остаточное растягивающее напряжение, сохраняющееся в детали после технологического процесса. Остаточное напряжение наиболее опасно вблизи поверхностей или сварных швов, где наиболее вероятно образование трещин.

Как снизить остаточные напряжения при обработке на станках с ЧПУ?

Методы снятия или уменьшения остаточных напряжений: оптимизация условий обработки, снижение износа режущего инструмента, балансировка черновой и поверхностной обработки, проведение дополнительной термообработки для снятия напряжения и предотвращение чрезмерного удаления материала.