U procesu obrade i proizvodnje materijala, zaostalo naprezanje je česta pojava, koja ima značajan utjecaj na performanse i vijek trajanja materijala. Razumijevanje uzroka zaostalih naprezanja, karakteristika prostorne distribucije i njegovog utjecaja na svojstva materijala, za poboljšanje kvaliteta proizvoda, sprječavanje sigurnosnih nezgoda je od velikog značaja.
I. Uzroci rezidualnog naprezanja
Preostalo naprezanje se odnosi na kraj obrade materijala, radni komad i dalje zadržava unutrašnji napon. Ovaj stres uglavnom nastaje iz sljedećih aspekata:
1. Neujednačena plastična deformacija
Kada je radni komad izložen složenim opterećenjima (kao što je hladno valjanje, izvlačenje, ekstruzija i površinsko glodanje, valjanje, itd.), zbog neravnomjerne sile na poprečnom- presjeku, mjesto velike sile može izazvati plastičnu deformaciju, dok mjesto male sile još uvijek može biti elastična deformacija. Kada su rasterećene, ove neujednačene plastične deformacije mogu dovesti do zaostalih naprezanja unutar radnog komada. Naime, rastegnuta područja su podvrgnuta tlačnim naprezanjima nakon rasterećenja, dok su susjedna područja podvrgnuta vlačnim naprezanjima. Ovo zaostalo naprezanje zbog neravnomjerne plastične deformacije uobičajen je oblik naprezanja u procesima obrade.
2. Toplotni efekti nehomogenog temperaturnog polja
Kod termičke obrade, procesi grijanja i hlađenja su obično vrlo složeni, uključujući brzo zagrijavanje i hlađenje, kao i lokalizirano grijanje i hlađenje. Budući da se toplina može prenositi samo kroz površinu, radni komad će imati razlike u toplinskom širenju zbog temperaturne nehomogenosti tijekom grijanja i hlađenja, što zauzvrat stvara prolazna toplinska naprezanja. Kada vrijednost ovih prolaznih toplinskih naprezanja prijeđe granicu tečenja materijala pri visokim temperaturama, u određenim područjima dolazi do plastične deformacije. Kada se proces zagrijavanja završi, iako se radni komad ohladio na sobnu temperaturu, unutar radnog komada se stvaraju zaostala naprezanja zbog neravnomjerne plastične deformacije tokom procesa zagrijavanja. Takva zaostala naprezanja zbog neujednačenih temperaturnih polja posebno su česta u procesima toplinske obrade.
3. Efekti faznog prijelaza
Tokom obrade materijala, promjene u metalurškoj organizaciji (npr. transformacija austenita u martenzit tokom gašenja) dovode do promjena u unutrašnjem specifičnom volumenu materijala, što zauzvrat stvara napone faznog prijelaza. Ovo naprezanje faznog prijelaza također će ostati unutar radnog komada nakon obrade, formirajući zaostalo naprezanje.
Drugo, prostorna distribucija karakteristika zaostalih naprezanja
Prostorna distribucija zaostalog naprezanja zavisi od njegovog uzroka i specifičnih uslova obrade. Općenito govoreći, zaostalo naprezanje se može podijeliti u tri kategorije: makro rezidualno naprezanje, mikro zaostalo naprezanje i ultra-mikro zaostalo naprezanje.
1. Makro rezidualni napon
Makroskopsko zaostalo naprezanje je u radnom komadu u cjelini ili u makro opsegu zaostalog naprezanja za postizanje ravnoteže. Raspodjela ovog naprezanja je obično ravnomjernija, ukupni učinak radnog komada ima veći utjecaj. U procesu, zbog neravnomjerne plastične deformacije ili neujednačenog temperaturnog polja termičkog efekta, radni komad će proizvesti makro vlačno ili tlačno zaostalo naprezanje.
2. Mikro rezidualni napon
Mikroskopski zaostali naponi su zaostali naponi koji postižu ravnotežu unutar nekoliko zrna unutar radnog komada. Raspodjela ovog naprezanja je obično složenija, kao i oblik, veličina i orijentacija zrna i drugi faktori. Tijekom plastične deformacije, mikroskopska vlačna ili tlačna zaostala naprezanja nastaju zbog interakcija zrna i prisutnosti granica zrna. Ova naprezanja imaju važan utjecaj na lokalna svojstva materijala, kao što su čvrstoća na zamor i stopa proširenja pukotina.
3. Ultra-mikroskopski rezidualni napon
Ultra-mikroskopsko zaostalo naprezanje je veliki broj atomskih površina u radnom komadu, atomskih stubova blizu ravnoteže zaostalog naprezanja. Raspodjela ovog naprezanja je složenija, a povezana je s mikrostrukturom materijala i defektima i drugim faktorima. Tokom faznih transformacija, ultramikroskopska zaostala naprezanja ili naprezanja na pritisak nastaju zbog izobličenja i defekata rešetke. Ova naprezanja utiču na fizička i hemijska svojstva materijala.
Karakteristike prostorne distribucije zaostalih napona ne zavise samo od njihovih uzroka, već su i usko povezane sa specifičnim uslovima procesa. Na primjer, tokom procesa zavarivanja, zavareni šav i susjedna područja se brzo zagrijavaju i hlade, što rezultira složenom raspodjelom zaostalih naprezanja u tim područjima. Nehomogenost ovih raspodjela naprezanja može imati važan utjecaj na čvrstoću i žilavost šava.
Treće, utjecaj zaostalog naprezanja na svojstva materijala
Preostalo naprezanje ima značajan uticaj na mehanička svojstva materijala. Što se tiče čvrstoće tečenja, kada postoje zaostala vlačna naprezanja unutar materijala, to će smanjiti granicu tečenja materijala, čineći materijal sklonijim plastičnoj deformaciji. Suprotno tome, zaostala tlačna naprezanja u određenoj mjeri povećavaju granicu tečenja materijala. Za vlačnu čvrstoću, prisustvo zaostalog naprezanja će promijeniti raspodjelu naprezanja materijala u procesu zatezanja, čime će utjecati na njegovu vlačnu čvrstoću. Osim toga, zaostalo naprezanje će također utjecati na plastičnost, žilavost i tvrdoću materijala i druge pokazatelje. Na primjer, zaostalo vlačno naprezanje povećava istezanje materijala, dok zaostalo tlačno naprezanje smanjuje istezanje materijala. Što se tiče tvrdoće, zaostalo vlačno naprezanje smanjuje mjerenje tvrdoće, dok zaostalo tlačno naprezanje povećava mjerenje tvrdoće.
Učinak zaostalog naprezanja na vijek trajanja materijala je još kritičniji. Pod dejstvom naizmjeničnog opterećenja, zaostalo vlačno naprezanje će biti superponirano sa primijenjenim opterećenjem, ubrzavajući nastanak i širenje pukotina, značajno smanjujući vijek trajanja materijala. Stoga, pri projektovanju i proizvodnji mehaničkih dijelova, utjecaj preostalog naprezanja mora se u potpunosti uzeti u obzir kako bi se izbjegao kvar uzrokovan prekomjernim zaostalim naprezanjem.
2. Uticaj na fizička svojstva
Preostalo naprezanje će također utjecati na fizička svojstva materijala. Na primjer, u smislu koeficijenta toplinskog širenja, zaostalo naprezanje će promijeniti unutrašnju rešetkastu strukturu materijala, što zauzvrat utječe na njegove karakteristike toplinskog širenja. Kada su zaostala naprezanja prisutna u materijalu, koeficijent termičke ekspanzije se može promijeniti, što u nekim primjenama osjetljivim na temperaturu (npr. sistemi termičke kontrole u svemiru) može dovesti do problema s uklapanjem komponenti. Osim toga, zaostalo naprezanje ima utjecaj na toplinsku i električnu provodljivost materijala. Istraživanja su pokazala da zaostala naprezanja mogu iskriviti atomski raspored unutar materijala, povećavajući vjerovatnoću raspršivanja fonona i elektrona, čime se smanjuju toplinska i električna provodljivost materijala. U elektroničkim uređajima, gdje su disipacija topline i električna provodljivost kritični, ovaj efekat zaostalog naprezanja može dovesti do smanjenja toplinske efikasnosti i povećanja otpora uređaja, što zauzvrat utiče na performanse i stabilnost uređaja.
