Restspanning in Materialen: Typen, Oorzaken en Praktische Toepassingen

Wat is restspanning?

In vaste materialen is restspanning de spanning die in het materiaal blijft nadat de oorspronkelijke oorzaak van de spanning is verwijderd. Restspanning kan in een materiaal zowel nutteloos als nuttig zijn; het kan gewenst of ongewenst zijn. Onbedoelde restspanning kan ertoe leiden dat een materiaal te vroeg uitvalt, terwijl deze juist in gehard glas wordt gebruikt om grote, dunne, kraak- en schuurbestendige smartphone-glazen mogelijk te maken.

Vandaag bekijken we de definitie, toepassingen, typen, oorzaken, effecten, diagrammen, controle en hoe restspanningen gemeten worden.

Wat is restspanning?

Restspanning is de spanning die in een materiaal blijft (vaak in een gelaste component) zelfs in afwezigheid van externe belasting of warmtegradiënt. Restspanningen kunnen leiden tot significante plastische vervorming, wat kan leiden tot vervorming of vervorming van materialen. Ze kunnen de vatbaarheid voor breuk en vermoeiding in sommige gevallen beïnvloeden.

Restspanningen worden ook "ingesloten spanningen" genoemd binnen een metaalobject, zelfs als het object vrij is van externe krachten. De spanningen kunnen ertoe leiden dat één gebied van het metaal door aangrenzende gebieden wordt beperkt in krimpen, uitdijen of het loslaten van elastische vervormingen. Aangezien restspanningen trek- of drukspanningen kunnen zijn, kunnen ze samen in een component bestaan.

Wat zijn de oorzaken van restspanning?

Restspanningen treden op wanneer objecten of componenten buiten hun elastische grenzen worden gespannen, wat resulteert in plastische vervorming. Deze plastische vervorming kan veroorzaakt worden door:

• Fasetransformaties tijdens afkoeling vanaf verhoogde temperaturen
• Oppervlaktebehandelingen zoals emaleren, galvaniseren, PVD- en CVD-coating
• Niet-uniforme plastische vervorming tijdens verwarming en afkoeling
• Heterogeniteit van chemische of kristallografische orde (nitruren of randverharding)
• Niet-plastische vervorming tijdens mechanische bewerking zoals walsen, vormgevingsoperaties (buigen of trekken), bewerken en mechanische oppervlaktebehandelingen (kogelpeenen en rolpolijsten)

Thermische variaties:

Thermische variatie treedt op wanneer een object wordt afgekoeld vanaf een temperatuur, wat vaak plaatsvindt in een gelaste verbinding door de intense hitte die voor de verbinding wordt gebruikt. Hierdoor ontstaat een groot verschil in afkoelsnelheid doorheen het lichaam, wat resulteert in gelokaliseerde variaties in het oppervlak en interieur van het materiaal. Dit verschillende niveau van thermische krimp creëert niet-uniforme spanningen binnen een object.

Tijdens afkoeling koelt het oppervlak sneller af, en het verwarmde materiaal wordt in het centrum samengeperst. Terwijl het centrale deel van het materiaal tijd nodig heeft om af te koelen, wordt het beperkt door het koudere buitenmateriaal. Dit zorgt ervoor dat de binnenste deel resterende trekspanning heeft en het buitenste deel van het materiaal resterende drukspanning zal hebben.

Mechanische bewerking:

Restspanningen die ontstaan door plastische vervorming worden veroorzaakt door mechanische bewerking. Het treedt op wanneer de plastische vervorming niet-uniform is door de dwarsdoorsnede van het materiaal dat een productieproces ondergaat, zoals buigen, trekken, extruderen, walsen, etc.

Tijdens het vervormingsproces is één deel van het materiaal elastisch en het ander plastisch. Wanneer de belasting wordt verwijderd, probeert het materiaal het elastische deel van de vervorming te herstellen. Dit wordt echter gehinderd om volledig te herstellen vanwege het aangrenzende plastisch vervormde materiaal.

Fasetransformatie:

Fasetransformatie is een andere manier waarop restspanning kan ontstaan. Het treedt op wanneer een materiaal een fasetransformatie ondergaat, dat wil zeggen, een volumevererschil tussen de nieuw gevormde fase en het omringende materiaal dat nog niet de fasetransformatie heeft ondergaan. Dit volumevererschil veroorzaakt uitdijning of krimp in het materiaal, wat resulteert in restspanning.

Wat zijn de effecten van restspanning?

Restspanningen zijn in sommige situaties gunstig, afhankelijk van of de spanning trek- of drukspanning is. Trekrestspanningen kunnen groot genoeg zijn om materiaalvervorming of scheuring te veroorzaken. Ook zijn trekspanningen vereist voor vermoeiding en spanningcorrosiescheuring. Dit komt doordat restspanningen algebraïsch worden opgeteld bij toegepaste spanningen. De oppervlakte resterende trekspanningen gecombineerd met toegepaste trekspanning kunnen de betrouwbaarheid van het materiaal verminderen. Ook zijn resterende trekspanningen soms voldoende om spanningcorrosiescheuring te veroorzaken.

Over het algemeen verminderen oppervlakte resterende drukspanningen de effecten van toegepaste trekspanningen. Feitelijk dragen oppervlakte drukspanningen bij aan de verbetering van de vermoeidingssterkte en weerstand tegen spanningcorrosiescheuring.

Zoals eerder vermeld, zijn restspanningen positief of negatief, afhankelijk van de toepassing. Positieve effecten worden verkregen wanneer restspanningen geïmplementeerd worden in het ontwerp van sommige toepassingen, wat kan worden bereikt door laserpeening. Laserpeening brengt resterende drukspanning aan het oppervlak van een materiaal aan. Dit versterkt broos oppervlak of versterkt een dunne sectie.

Over het algemeen kunnen restspanningen ook negatieve effecten hebben. Hoewel de spanningen vaak onzichtbaar zijn voor fabrikanten, tenzij ze leiden tot significante vervorming. Structurele integriteit kan negatief beïnvloed worden, bijvoorbeeld zijn gelaste dikwandige constructies meer vatbaar voor broze breuk dan constructies die spanningvrij zijn gemaakt.

Typen restspanningen

Trekrestspanningen:

Trekrestspanningen verlagen de vermoeidingssterkte en resulteren in vermoeidingsbreuk. Ze zijn meestal de neveneffecten van productie die resulteert in agressief slijpen wat scheurgroei veroorzaakt. Ze kunnen ook krimp, inpassing, buigen of torsie introduceren. Torsie blijft altijd op gegoten componenten als restspanningen wat scheuringen op het componentoppervlak kan veroorzaken. Verder is spanningcorrosiescheuring een gebeurtenis die optreedt waar er trekrestspanningen zijn.

Drukrestspanningen:

Drukrestspanningen verhogen zowel de vermoeidingssterkte als de weerstand tegen spanningcorrosiescheuring. Ze kunnen bewust worden gevormd door processen zoals kogelpeening, laserpeening, laag-plasticiteit polijsten en autofrettage. Het materiaal verhardt of koudvervormt het materiaal. Meestal is het belang van het induceren van resterende drukspanningen om de schadelijke effecten van trekspanningen te compenseren. Het warmtebehandelingsproces dat bekend is als spanning-ontlastingsgloven wordt ook gebruikt om resterende trekspanning te verminderen.

Restspanningen kunnen ook in drie typen worden geclassificeerd:

Type-1 restspanning:

Deze typen restspanningen worden macro-restspanningen genoemd, vaak ontwikkeld in korrels. Dit is het resultaat van elke verandering in het evenwicht van de restspanning wat resulteert in een verandering in macroscopische afmetingen. Behandelingen of processen die een inhomogene verdeling van vervormingen veroorzaken, produceren type-1 restspanningen.

Type-2 restspanning:

Type-2 restspanningen zijn micro-restspanningen ontwikkeld in één korrel. Ze kunnen verschillende groottes hebben in verschillende korrels. Martensitische transformatie is het beste om deze restspanning te produceren. Tijdens het transformatieproces wordt een onvolledige transformatie van austeniet verkregen. Echter, het volume van martensiet is groter dan het austeniet, wat resulteert in verschillende vormen van restspanningen.

Type-3 restspanning:

Type-3 restspanningen zijn sub-micro restspanningen ontwikkeld binnen verschillende atomaire afstanden van de korrel. Hun vorming wordt veroorzaakt door kristallijne defecten zoals vacatures, dislocaties, etc.

Hoe restspanningen te meten?

Er zijn verschillende technieken die gebruikt kunnen worden om restspanning te meten, die breed gecategoriseerd zijn in destructief, semi-destructief en non-destructief. Ze worden vaak gebruikt afhankelijk van de benodigde informatie.

Destructief:

De destructieve meettechnieken van restspanning worden uitgevoerd door het object of materiaal te vernietigen dat gemeten moet worden. Ze worden doorgaans uitgevoerd voor onderzoek en ontwikkeling. En het is een goedkope methode om restspanning te meten en te detecteren vergeleken met non-destructieve testen.

Destructieve testen kunnen op twee manieren worden gedaan:

• Contourmethode

Contourmethoden bepalen restspanning door een object in twee te zagen en hun oppervlaktehoogtekaarten te metenen naar het vrije vlak dat ontstaat door de snede. Deze methode bepaalt de vervormingen veroorzaakt door restspanningsverdeling en wordt gebruikt om de hoeveelheid restspanning te weten door een elastisch eindig elementmodel van het monster. Het resultaat is een 2-D kaart van restspanning die normaal is op het meetvlak.

• Slijtmethode

Slijtmethoden zijn technieken die gebruikt worden om door de dikte van de restspanning normaal op een vlak door een object te snijden te meten. Dit omvat het snijden van een dunne spleet in incrementele dieptestappen door de dikte van het werkstuk. De resulterende vervorming die gemeten wordt, wordt bereikt door de spleetdiepte. En de restspanning wordt berekend door de door-dikte positie, wat bepaald wordt door een invers probleem op te lossen met behulp van gemeten vervormingen.

Semi-destructief:

Een semi-destructieve restspanningsmeettechniek is vergelijkbaar met een destructief type. Dit komt doordat ze een vervormingsvrijgaveprincipe gebruiken om de restspanning te bepalen. Maar er wordt slechts een kleine hoeveelheid materiaal verwijderd in plaats van te vernietigen. Het laat de structuur beter zijn integriteit behouden.

Semi-destructieve testen worden ook op twee manieren uitgevoerd:

• Diepe gatboormethode

Diepe boren wordt bereikt door een gat door de dikte van een materiaal te boren, de diameter van het gat te meten. Een cirkelvormige sleuf snijden rond het gat om een kern van materiaal rond het gat te verwijderen en vervolgens de gatdiameter opnieuw te meten. Restspanningen worden hier ontdekt door de geometrische verandering.

• Centraal gatboormethode

Centraal gatboortechnieken worden gedaan door een klein gat in een object te boren. Wanneer het materiaal dat restspanning bevat wordt verwijderd, bereikt het overgebleven materiaal een nieuwe evenwichtstoestand. Hierbij zijn de vervormingen rond het gat geassocieerd. Rekstrookjes of optische methoden worden gebruikt om de vervormingen rond het gat tijdens de analyse te meten. De oorspronkelijke restspanning in het materiaal wordt berekend uit de gemeten vervormingen.

Non-destructief:

Non-destructief is een andere methode om restspanningen in een materiaal te meten en te testen. Het omvat het meten van de effecten van relaties tussen de restspanningen en hun materiaalveranderingen in de kristalroosterafstand.

De non-destructieve methode kan op drie manieren worden bereikt:

• Neutronendiffractie

Neutronen worden gebruikt om de kristalroosterafstand in een materiaal te meten. De neutronen die in het object bestaan, hebben vergelijkbare energie met de incidentele neutronen. Dit stelt de restspanning in staat om te worden bepaald uit de roosterafstand.

• Synchrotron Röntgendiffractie

Een synchrotron wordt gebruikt om de elektromagnetische straling te versnellen om een echte dikte te laten weten die de materiaalroosterafstand kent. Een vergelijkbare benadering als neutronendiffractie wordt gebruikt om de restspanning te berekenen.

• Röntgendiffractie

Meting van oppervlakte restspanning wordt met deze methode bereikt omdat de röntgenstraal alleen het objectoppervlak doorpenetreert tot een paar honderd micron.

Hoe restspanning te controleren

Controleren van restspanning is gebruikelijk op materiaal omdat het van nut zal zijn voor toepassingen die een zekere spanning vereisen. De materialen worden blootgesteld aan vermoeiding of spanningcorrosiescheuring condities of als de restspanningen groot genoeg zijn om componentvervorming of scheuring te veroorzaken.

Controleren van restspanningen kan bereikt worden door mechanische behandelingen zoals kogelpeening, lichte koude walsen en rekken. Kleine hoeveelheden comprimeren worden gebruikt om resterende drukspanning op het oppervlak van een component te induceren. Spanning-ontlasting warmtebehandeling, controle van het warmtebehandelingsproces en legeringselectie zijn andere methoden om restspanningen te controleren.

Omdat de vloeistress van metaal afneemt naarmate de temperatuur stijgt, kunnen metalen spanningvrij gemaakt worden door te verwarmen tot een temperatuur waar de vloeistress van het metaal hetzelfde of minder is dan de grootte van de restspanning. Als dit gebeurt, kan het metaal microscopische plastische vervorming ondergaan, wat ten minste een deel van de restspanning vrijmaakt. Na de spanning-ontlasting zal de maximale restspanning die in het object overblijft gelijk zijn aan de vloeistress van het materiaal bij de spanning-ontlastingstemperatuur.

Restspanningen kunnen verminderd worden door gebruik te maken van verminderde afkoelsnelheden om temperatuurvariaties stap voor stap te verlagen, zodat fasetransformaties meer uniform kunnen plaatsvinden door de dwarsdoorsnede van een component. Dit zal gebaseerd zijn op het componentverwerkingsperspectief. In dit geval kunnen legeringen met langzamere afkoelsnelheden worden geselecteerd, terwijl de gewenste fasetransformaties nog steeds zullen plaatsvinden.

Conclusie

Restspanningen zijn positief of negatief voor het materiaal gezien. Ze kunnen optreden en de levensduur van het materiaal verminderen en ook kunnen ze bewust in een object geïmplementeerd worden om bepaalde restspanningen te verkrijgen. In dit artikel hebben we de definitie, typen, oorzaken, effecten, controle en hoe restspanningen te meten bekeken.

Ik hoop dat je de lezing genoten hebt. Deel dit artikel gerust met andere technische studenten. Dank je wel!