Medžiagų apdirbimo ir gamybos procese liekamasis įtempis yra dažnas reiškinys, turintis didelę įtaką medžiagų eksploatacinėms savybėms ir tarnavimo laikui. Liekamojo įtempio priežasčių, erdvinio pasiskirstymo charakteristikų ir jo įtakos medžiagų savybėms supratimas, gaminių kokybei gerinti, saugos nelaimingų atsitikimų prevencijai yra labai svarbu.
I. Liekamojo streso priežastys
Likęs įtempis reiškia medžiagos apdorojimo pabaigą, ruošinys vis dar išlaiko vidinį įtempį. Šis stresas daugiausia kyla dėl šių aspektų:
1. Netolygi plastinė deformacija
Kai ruošinys yra veikiamas sudėtingų apkrovų (pvz., šalto valcavimo, tempimo, ekstruzijos ir paviršiaus šlifavimo, valcavimo ir kt.), dėl nevienodos jėgos, veikiančios skerspjūvį, didelės jėgos vieta gali sukelti plastinę deformaciją, o mažos jėgos vieta vis tiek gali būti elastinga. Iškraunant šias netolygias plastines deformacijas ruošinyje gali atsirasti liekamųjų įtempių. Konkrečiai, ištemptos sritys po iškrovimo patiria gniuždymo įtempius, o gretimose srityse – tempimo įtempiai. Šis liekamasis įtempis dėl netolygios plastinės deformacijos yra įprasta apdirbimo procesų įtempių forma.
2. Nehomogeninio temperatūros lauko šiluminis poveikis
Šiluminio apdorojimo metu šildymo ir vėsinimo procesai paprastai yra labai sudėtingi, įskaitant greitą šildymą ir vėsinimą, taip pat vietinį šildymą ir vėsinimą. Kadangi šiluma gali būti perduodama tik per paviršių, ruošinio šiluminis plėtimasis skirsis dėl temperatūros nevienodumo kaitinant ir aušinant, o tai savo ruožtu sukuria trumpalaikius šiluminius įtempius. Šių trumpalaikių šiluminių įtempių dydžiui viršijus medžiagos aukštos temperatūros takumo ribą, tam tikrose vietose atsiranda plastinė deformacija. Pasibaigus kaitinimo procesui, nors ruošinys atvėsęs iki kambario temperatūros, ruošinyje susidaro liekamieji įtempiai dėl netolygios plastinės deformacijos kaitinimo proceso metu. Tokie liekamieji įtempiai dėl netolygaus temperatūros laukų ypač dažni terminio apdorojimo procesuose.
3. Fazių perėjimo efektai
Medžiagos apdirbimo metu dėl metalurginės organizacijos pokyčių (pvz., austenito virsta martensitu gesinimo metu) pasikeičia vidinis specifinis medžiagos tūris, o tai savo ruožtu sukuria fazinius pereinamuosius įtempius. Šis fazinio perėjimo įtempis po apdorojimo taip pat išliks ruošinio viduje, sudarydamas liekamąjį įtempį.
Antra, liekamųjų įtempių charakteristikų erdvinis pasiskirstymas
Erdvinis liekamojo įtempio pasiskirstymas priklauso nuo jo priežasties ir specifinių apdorojimo sąlygų. Paprastai tariant, liekamasis įtempis gali būti suskirstytas į tris kategorijas: makro liekamasis įtempis, mikro liekamasis įtempis ir ultra-mikro liekamasis įtempis.
1. Makro liekamasis įtempis
Makroskopinis liekamasis įtempis yra visame ruošinyje arba liekamojo įtempių makro diapazone, kad būtų pasiekta pusiausvyra. Paprastai šis įtempis pasiskirsto tolygiau, o bendras ruošinio veikimas turi didesnį poveikį. Proceso metu dėl netolygios plastinės deformacijos arba netolygaus šiluminio efekto temperatūros lauko ruošinys sukurs makrotempimo arba gniuždymo liekamąjį įtempį.
2. Mikro liekamasis įtempis
Mikroskopiniai liekamieji įtempiai yra liekamieji įtempiai, kurie pasiekia pusiausvyrą per kelis ruošinio grūdelius. Šio įtempio pasiskirstymas paprastai yra sudėtingesnis, o grūdų forma, dydis ir orientacija bei kiti veiksniai. Plastinės deformacijos metu dėl grūdelių sąveikos ir grūdelių ribų susidaro mikroskopiniai liekamieji tempimo arba gniuždymo įtempiai. Šie įtempiai turi didelę įtaką vietinėms medžiagos savybėms, tokioms kaip nuovargio stiprumas ir įtrūkimų išplėtimas.
3. Ultra-mikroskopinis liekamasis įtempis
Ultra-mikroskopinis liekamasis įtempis – tai daug ruošinio atominių paviršių, atominių stulpelių, esančių šalia liekamojo įtempio pusiausvyros. Šio įtempio pasiskirstymas yra sudėtingesnis ir susijęs su medžiagos mikrostruktūra bei defektais ir kitais veiksniais. Fazių transformacijų metu dėl gardelės iškraipymų ir defektų susidaro ultramikroskopiniai liekamieji tempimo arba gniuždymo įtempiai. Šie įtempiai turi įtakos fizinėms ir cheminėms medžiagos savybėms.
Liekamųjų įtempių erdvinės pasiskirstymo charakteristikos priklauso ne tik nuo jų priežasčių, bet ir glaudžiai susijusios su specifinėmis proceso sąlygomis. Pavyzdžiui, suvirinimo proceso metu suvirinimo siūlė ir jos gretimos sritys greitai įkaista ir vėsta, todėl šiose vietose kompleksiškai pasiskirsto liekamieji įtempiai. Šių įtempių pasiskirstymo nehomogeniškumas gali turėti didelę įtaką suvirinimo siūlės stiprumui ir kietumui.
Trečia, liekamojo įtempio įtaka medžiagos savybėms
Liekamoji įtampa turi didelę įtaką mechaninėms medžiagų savybėms. Kalbant apie takumo ribą, kai medžiagoje yra liekamieji tempimo įtempiai, tai sumažins medžiagos takumo ribą, todėl medžiaga labiau linkusi į plastines deformacijas. Ir atvirkščiai, liekamieji gniuždymo įtempiai tam tikru mastu padidina medžiagos takumo ribą. Dėl tempimo stiprumo liekamasis įtempis pakeis medžiagos įtempių pasiskirstymą tempimo procese ir taip paveiks jos tempimo stiprumą. Be to, liekamasis įtempis taip pat turės įtakos medžiagos plastiškumui, kietumui ir kietumui bei kitiems rodikliams. Pavyzdžiui, liekamasis tempimo įtempis padidina medžiagos pailgėjimą, o liekamasis gniuždymo įtempis sumažina medžiagos pailgėjimą. Kalbant apie kietumą, liekamasis tempimo įtempis sumažina kietumo matavimą, o liekamasis gniuždymo įtempis padidina kietumo matavimą.
Liekamojo įtempio poveikis medžiagos nuovargio trukmei yra dar svarbesnis. Veikiant kintamajai apkrovai, liekamasis tempimo įtempis bus padengtas taikoma apkrova, pagreitins įtrūkimų atsiradimą ir išsiplėtimą, o tai žymiai sumažins medžiagos nuovargio tarnavimo laiką. Todėl, projektuojant ir gaminant mechanines dalis, reikia visapusiškai atsižvelgti į liekamojo įtempio poveikį, kad būtų išvengta nuovargio gedimo, kurį sukelia per didelis liekamasis įtempis.
2. Poveikis fizinėms savybėms
Likęs įtempis taip pat turės įtakos fizinėms medžiagos savybėms. Pavyzdžiui, kalbant apie šiluminio plėtimosi koeficientą, liekamasis įtempis pakeis medžiagos vidinę gardelės struktūrą, o tai savo ruožtu paveiks jos šiluminio plėtimosi charakteristikas. Kai medžiagoje yra liekamųjų įtempių, šiluminio plėtimosi koeficientas gali pasikeisti, o tai kai kuriose temperatūrose jautriose srityse (pvz., šiluminės kontrolės sistemose aviacijos erdvėje) gali sukelti problemų dėl komponentų tinkamumo. Be to, liekamasis įtempis turi įtakos medžiagos šilumos ir elektros laidumui. Tyrimai parodė, kad liekamieji įtempiai gali iškreipti atominį išsidėstymą medžiagoje, padidindami fononų ir elektronų sklaidos tikimybę, taip sumažindami medžiagos šilumos ir elektros laidumą. Elektroniniuose įrenginiuose, kur šilumos išsklaidymas ir elektros laidumas yra labai svarbūs, dėl šio liekamojo įtempio poveikio gali sumažėti šiluminis efektyvumas ir padidėti įrenginio varža, o tai savo ruožtu turi įtakos įrenginio veikimui ir stabilumui.