En el procés de processament i fabricació de materials, l'estrès residual és un fenomen comú, que té un impacte important en el rendiment i la vida útil dels materials. Comprendre les causes de l'estrès residual, les característiques de distribució espacial i el seu impacte en les propietats del material, per millorar la qualitat del producte, la prevenció d'accidents de seguretat és de gran importància.
I. Causes de l'estrès residual
La tensió residual es refereix al final del processament del material, la peça encara conserva la tensió interna. Aquesta tensió sorgeix principalment dels següents aspectes:
1. Deformació plàstica desigual
Quan la peça està sotmesa a càrregues complexes (com ara laminació en fred, estirat, extrusió i granallat superficial, laminació, etc.), a causa de la força desigual a la secció transversal-, el lloc de gran força pot produir deformació plàstica, mentre que el lloc de força petita encara pot ser deformació elàstica. Quan es descarreguen, aquestes deformacions plàstiques desiguals poden provocar tensions residuals dins de la peça. Concretament, les zones estirades estan sotmeses a esforços de compressió després de la descàrrega, mentre que les zones adjacents estan sotmeses a esforços de tracció. Aquesta tensió residual a causa de la deformació plàstica desigual és una forma habitual d'estrès en els processos de mecanitzat.
2. Efectes tèrmics del camp de temperatura no homogeni
En el processament tèrmic, els processos d'escalfament i refrigeració solen ser molt complexos, que impliquen un escalfament i un refredament ràpids, així com un escalfament i un refredament localitzats. Atès que la calor només es pot transferir a través de la superfície, la peça de treball tindrà diferències d'expansió tèrmica a causa de la deshomogeneïtat de la temperatura durant l'escalfament i el refredament, que al seu torn genera tensions tèrmiques transitories. Quan el valor d'aquests esforços tèrmics transitoris supera el límit de rendiment a alta temperatura del material, es produeix una deformació plàstica en determinades zones. Quan s'acaba el procés d'escalfament, tot i que la peça s'ha refredat a temperatura ambient, es generen tensions residuals dins de la peça a causa de la deformació plàstica desigual durant el procés d'escalfament. Aquestes tensions residuals degudes a camps de temperatura desiguals són particularment freqüents en els processos de tractament tèrmic.
3. Efectes de transició de fase
Durant el processament del material, els canvis en l'organització metal·lúrgica (per exemple, la transformació d'austenita a martensita durant l'extinció) condueixen a canvis en el volum específic intern del material, que al seu torn genera tensions de transició de fase. Aquesta tensió de transició de fase també romandrà a l'interior de la peça després del processament, formant una tensió residual.
En segon lloc, la distribució espacial de les característiques d'estrès residual
La distribució espacial de l'estrès residual depèn de la seva causa i de les condicions específiques del processament. En termes generals, l'estrès residual es pot dividir en tres categories: estrès residual macro, estrès residual micro i tensió residual ultra-micro.
1. Tensió residual macro
La tensió residual macroscòpica es troba a la peça en el seu conjunt o al rang macro d'estrès residual per aconseguir l'equilibri. La distribució d'aquesta tensió sol ser més uniforme, el rendiment global de la peça té un impacte més gran. En el procés, a causa de la deformació plàstica desigual o el camp de temperatura desigual de l'efecte tèrmic, la peça de treball produirà una tensió residual macro de tracció o compressió.
2. Micro tensió residual
Les tensions residuals microscòpiques són tensions residuals que arriben a l'equilibri en uns pocs grans dins de la peça. La distribució d'aquesta tensió sol ser més complexa, i la forma, mida i orientació del gra i altres factors. Durant la deformació plàstica, es generen tensions residuals microscòpiques de tracció o compressió a causa de les interaccions de gra i la presència de límits de gra. Aquestes tensions tenen una influència important en les propietats locals del material, com ara la resistència a la fatiga i la taxa d'extensió de fissures.
3. Estrès residual ultra-microscòpic
La tensió residual ultra-microscòpica és un gran nombre de superfícies atòmiques a la peça de treball, columnes atòmiques properes a l'equilibri de la tensió residual. La distribució d'aquesta tensió és més complexa, i està relacionada amb la microestructura del material i els defectes i altres factors. Durant les transformacions de fase, es generen esforços residuals de tracció o compressió ultramicroscòpics a causa de distorsions i defectes de la gelosia. Aquestes tensions influeixen en les propietats físiques i químiques del material.
Les característiques de distribució espacial de les tensions residuals no només depenen de les seves causes, sinó que també estan estretament relacionades amb les condicions específiques del procés. Per exemple, durant el procés de soldadura, la costura de soldadura i les seves zones veïnes experimenten un escalfament i un refredament ràpids, donant lloc a una distribució complexa de tensions residuals en aquestes zones. La deshomogeneïtat d'aquestes distribucions d'esforços pot tenir un efecte important sobre la resistència i la tenacitat de la soldadura.
En tercer lloc, l'impacte de l'estrès residual sobre les propietats del material
La tensió residual té un efecte significatiu sobre les propietats mecàniques dels materials. Pel que fa a la resistència a la fluència, quan hi ha tensions de tracció residuals dins del material, reduirà la resistència a la fluència del material, fent que el material sigui més propens a la deformació plàstica. Per contra, les tensions de compressió residuals augmenten la resistència elàstica del material fins a cert punt. Per a la resistència a la tracció, la presència de tensió residual canviarà la distribució de la tensió del material en el procés de tracció, afectant així la seva resistència a la tracció. A més, la tensió residual també tindrà un impacte en la plasticitat, duresa i duresa del material i altres indicadors. Per exemple, la tensió de tracció residual augmenta l'allargament del material, mentre que la tensió de compressió residual disminueix l'allargament del material. Pel que fa a la duresa, la tensió de tracció residual disminueix la mesura de duresa, mentre que la tensió de compressió residual augmenta la mesura de duresa.
L'efecte de la tensió residual sobre la vida a fatiga d'un material és encara més crític. Sota l'efecte de la càrrega alterna, l'esforç de tracció residual es superposarà a la càrrega aplicada, accelerant l'aparició i l'expansió de les esquerdes, reduint significativament la vida útil del material. Per tant, en el disseny i la fabricació de peces mecàniques, s'ha de tenir en compte plenament l'impacte de la tensió residual per tal d'evitar la fallada per fatiga causada per una tensió residual excessiva.
2. Impacte sobre les propietats físiques
La tensió residual també tindrà un impacte en les propietats físiques del material. Per exemple, pel que fa al coeficient d'expansió tèrmica, la tensió residual canviarà l'estructura interna de la gelosia del material, que al seu torn afecta les seves característiques d'expansió tèrmica. Quan hi ha tensions residuals en un material, el coeficient d'expansió tèrmica pot canviar, cosa que en algunes aplicacions sensibles a la temperatura (per exemple, sistemes de control tèrmic en aeroespacial) pot provocar problemes amb l'ajust dels components. A més, la tensió residual té un efecte sobre la conductivitat tèrmica i elèctrica del material. Els estudis han demostrat que les tensions residuals poden distorsionar la disposició atòmica dins d'un material, augmentant la probabilitat de dispersió de fonons i electrons, reduint així la conductivitat tèrmica i elèctrica del material. En dispositius electrònics, on la dissipació de calor i la conductivitat elèctrica són crítiques, aquest efecte de l'estrès residual pot provocar una disminució de l'eficiència tèrmica i un augment de la resistència del dispositiu, que al seu torn afecta el rendiment i l'estabilitat del dispositiu.
