De verschillende soorten restspanning begrijpen

In vaste materialen is restspanning spanningen die erin achterblijven nadat hun oorspronkelijke oorzaak van spanning is verwijderd. Restspanning kan nutteloos en nuttig zijn in een materiaal. dat wil zeggen, het kan wenselijk of ongewenst zijn. Onbedoelde restspanning in een materiaal kan ervoor zorgen dat het voortijdig bezwijkt, terwijl het kan worden gebruikt in gehard glas om grote, dunne, scheur- en krasbestendige smartphonebrillen mogelijk te maken.

Vandaag zullen we kijken naar de definitie, toepassingen, typen, oorzaken, effecten, diagram, controle en hoe restspanningen te meten.

Wat is reststress?

Restspanning is de spanning die in een materiaal blijft (gebruikelijk in een gelast onderdeel), zelfs bij afwezigheid van externe belasting of warmtegradiënt. Restspanningen kunnen leiden tot aanzienlijke plastische vervorming, wat kan leiden tot vervorming of kromtrekken van materialen. Ze kunnen in sommige gevallen de gevoeligheid voor fracturen en vermoeidheid beïnvloeden.

Van restspanningen wordt ook gezegd dat ze ingesloten spanningen zijn binnen een metalen object, zelfs als het object vrij is van externe krachten. De spanningen kunnen ertoe leiden dat een gebied van het metaal wordt beperkt door aangrenzende gebieden van samentrekken, uitzetten of loslaten van elastische spanningen. Aangezien restspanningen trek- of drukkrachten kunnen zijn, kunnen ze naast elkaar bestaan ​​binnen een component.

Wat zijn de oorzaken van reststress?

Restspanningen treden op wanneer objecten of componenten worden belast boven hun elastische limiet, wat resulteert in plastische vervorming. De plastische vervorming kan het volgende zijn:

• Fasetransformaties tijdens afkoeling door verhoogde temperaturen.
• Oppervlaktebehandelingen zoals emailleren, galvaniseren van PVD- en CVD-coating.
• Niet-uniforme plastische vervorming tijdens verwarming en koeling.
• Heterogeniteit van een chemische of kristallografische orde (nitreren of case hardening)
• Niet-plastische vervorming tijdens mechanische bewerkingen zoals tijdens walsen, vormbewerkingen (buigen of trekken), machinale bewerking en mechanische oppervlaktebehandelingen (kogelstralen en walspolijsten).

Dit zijn de drie oorzaken van reststress:

Thermische variaties:

De thermische variatie is wanneer een object wordt gekoeld van een temperatuur, dit vindt vaak plaats in een lasverbinding vanwege het intense warmtegebruik voor de verbinding. Hierdoor is er een groot verschil in de afkoelsnelheid door het hele lichaam, wat resulteert in lokale variaties in het oppervlak en de binnenkant van het materiaal. Dit verschillende niveau van thermische samentrekkingen creëert niet-uniforme spanningen binnen een object.

Tijdens het afkoelen koelt het oppervlak sneller af en wordt het verwarmde materiaal in het midden samengeperst. Terwijl het middengedeelte van het materiaal tijd nodig heeft om af te koelen, wordt het beperkt door het koelere buitenmateriaal. Dit zorgt ervoor dat het binnenste deel een resterende trekspanning heeft en het buitenste deel van het materiaal een resterende drukspanning.

Mechanische verwerking:

Restspanningen die optreden als gevolg van 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, enz.

Tijdens het vervormingsproces is het ene deel van het materiaal elastisch en het andere deel van kunststof. Dus wanneer de belasting wordt verwijderd, probeert het materiaal het elastische deel van de vervorming te herstellen. Het wordt echter geremd om volledig te herstellen vanwege het aangrenzende plastisch vervormde materiaal.

Fase transformatie:

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

Wat zijn de effecten van reststress?

Restspanningen zijn in sommige situaties gunstig, afhankelijk van of de spanning trek- of drukspanning is. Trekrestspanningen kunnen groot genoeg zijn om vervorming of barsten van materialen te veroorzaken. Ook zijn trekspanningen vereist bij vermoeiing en spanningscorrosie. Dit komt omdat restspanningen algebraïsch worden opgeteld bij toegepaste spanningen. De oppervlakteresttrekspanningen in combinatie met de toegepaste trekspanning kunnen de betrouwbaarheid van het materiaal verminderen. Ook zijn resterende trekspanningen soms voldoende om spanningscorrosiescheuren te veroorzaken.

In het algemeen verminderen oppervlakterestdrukspanningen de effecten van aangelegde trekspanningen. In feite dragen oppervlaktedrukspanningen bij aan de verbetering van de vermoeiingssterkte en weerstand tegen spanningscorrosiescheuren.

Zoals eerder vermeld, zijn restspanningen positief of negatief, afhankelijk van de toepassing. Positieve effecten worden verkregen wanneer restspanningen worden geïmplementeerd in de ontwerpen van sommige toepassingen, wat kan worden bereikt door laserstralen. Een laserpeening zorgt voor compressieve restspanning op het oppervlak van een materiaal. Dit verhardt broze oppervlakken of versterkt een dun gedeelte.

Over het algemeen kunnen restspanningen ook tot negatieve effecten leiden. Hoewel de spanningen vaak onzichtbaar zijn voor fabrikanten, alleen als ze leiden tot aanzienlijke vervorming. Structurele integriteit kan negatief worden beïnvloed, bijvoorbeeld, gelaste dikwandige constructies zijn meer vatbaar voor brosse breuk dan constructies die spanningsvrij zijn.

Soorten restspanningen

Hieronder staan ​​de verschillende soorten restspanningen:

Testsile restspanningen:

Trekrestspanningen verminderen de vermoeiingssterkte en resulteren in vermoeiingsbreuk. Het zijn meestal de bijwerkingen van producties die resulteren in agressief slijpen dat scheurgroei veroorzaakt. Ze kunnen ook krimpen, passen, buigen of torsie veroorzaken. Torsie blijft altijd op gegoten componenten als restspanningen die scheuren op het componentoppervlak kunnen veroorzaken. Bovendien is spanningscorrosie een gebeurtenis die optreedt wanneer er restspanningen zijn.

Samendrukkende restspanningen:

Drukrestspanningen verhogen zowel de vermoeiingssterkte als de weerstand tegen spanningscorrosie. Ze kunnen opzettelijk worden gevormd door processen zoals kogelstralen, laserstralen, polijsten met lage plasticiteit en autofrettage. Door de materiaalspanning wordt het materiaal hard of koud bewerkt. Meestal is het belang van het induceren van drukrestspanningen om de nadelige effecten van trekspanningen in evenwicht te brengen. Het warmtebehandelingsproces dat bekend staat als stress-relief gloeien wordt ook gebruikt om de resterende trekspanning te verminderen.

Restspanningen kunnen ook in drie typen worden ingedeeld:

Type-1 restspanning:

Dit soort restspanningen staat bekend als macrorestspanningen die vaak in granen worden ontwikkeld. Dit is het gevolg van elke verandering in het evenwicht van de restspanning die zal resulteren in een verandering in macroscopische afmetingen. Behandelingen of processen die de inhomogene verdeling van spanningen veroorzaken, zullen type-1 restspanningen produceren.

Type-2 restspanning:

Type-2 restspanningen zijn microrestspanningen ontwikkeld in één korrel. Ze kunnen van verschillende groottes in verschillende korrels. Martensitische transformatie is het beste in het produceren van deze restspanning. Tijdens het transformatieproces wordt een onvolledige transformatie van austeniet verkregen. Het volume van martensiet is echter 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, enz.

bekijk de video hieronder voor meer informatie over restspanningen:

Hoe restspanningen te meten?

Er zijn verschillende technieken die kunnen worden gebruikt bij het meten van restspanning, die grofweg wordt onderverdeeld in destructief, semi-destructief en niet-destructief. Ze worden vaak gebruikt, afhankelijk van de vereiste informatie.

Maak kennis met deze meettechnieken voor restspanning!

Destructief:

De destructieve meettechnieken van restspanning worden uitgevoerd door het te meten object of materiaal te vernietigen. Ze worden over het algemeen uitgevoerd voor onderzoeks- en ontwikkelingsdoeleinden. En het is een goedkopere methode voor het meten en detecteren van restspanning in vergelijking met niet-destructief testen.

Destructief testen kan op twee manieren worden gedaan:

• Contourmethode

Contourmethoden bepalen de restspanning door een object in tweeën te snijden en hun oppervlaktehoogtekaarten te meten in de richting van het vrije vlak dat door de snede wordt gecreëerd. Deze methode bepaalt de vervormingen die worden veroorzaakt door de verdeling van de restspanning en wordt gebruikt om de hoeveelheid restspanning te kennen door middel van een elastisch eindige-elementenmodel van het monster. Het resultaat is een 2D-kaart van restspanning die loodrecht staat op het meetvlak.

• Slitmethode

Snijmethoden zijn technieken die worden gebruikt voor het meten door de dikte van de restspanning loodrecht op een vlak dat door een object wordt gesneden. Dit omvat het snijden van een dunne spleet in stappen van diepte door de dikte van het werkstuk. De resulterende gemeten vervorming wordt bereikt door de spleetdiepte. En de restspanning wordt berekend door de positie van de doorgaande dikte, die wordt bepaald door een invers probleem op te lossen met behulp van gemeten vervormingen.

Semi-destructief:

Een semi-destructieve meettechniek voor restspanning is vergelijkbaar met een destructief type. Dit komt omdat ze een spanningsvrijgaveprincipe gebruiken om de restspanning te bepalen. Maar slechts een kleine hoeveelheid materiaal werd verwijderd in plaats van vernietigd. Hierdoor kan de structuur zijn integriteit beter behouden.

Semi-destructief testen wordt ook op twee manieren uitgevoerd:

• Diepgatboren

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

• Centraal gat boren

Center hole boortechnieken worden gedaan door een klein gaatje in een object te boren. Dus wanneer het materiaal dat restspanning bevat wordt verwijderd, bereikt het resterende materiaal een nieuwe evenwichtstoestand. Hiermee worden 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.

Niet-destructief:

Niet-destructief is een andere methode voor het meten en testen van restspanningen in een materiaal. Het omvat het meten van de effecten van relaties tussen de restspanningen en hun materiële veranderingen in de kristalroosterafstand.

De niet-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 aanwezig zijn, hebben een vergelijkbare energie als de invallende neutronen. Hierdoor kan de restspanning worden bepaald uit de roosterafstand.

• Synchrotron röntgendiffractie

Een synchrotron wordt gebruikt om de elektromagnetische straling te versnellen om een ​​echte dikte mogelijk te maken die de materiaalroosterafstand kent. Een vergelijkbare benadering van neutronendiffractie wordt gebruikt om de restspanning te berekenen.

• Röntgendiffractie

Met deze methode wordt de oppervlakterestspanning gemeten, aangezien de röntgenstraling slechts een paar honderd micron door het objectoppervlak dringt.

Hoe reststress onder controle te houden

Het beheersen van restspanning is gebruikelijk op materiaal, omdat het gunstig is voor het vereisen van een soort spanning op toepassingen. De materialen worden blootgesteld aan scheurvorming door vermoeiing of spanningscorrosie of als de restspanningen groot genoeg zijn om vervorming of barsten van componenten te veroorzaken.

Het beheersen van restspanningen kan worden bereikt door mechanische behandelingen zoals kogelstralen, licht koudwalsen en strekken. Kleine hoeveelheden compressie worden gebruikt om compressieve restspanning op het oppervlak van een component te induceren. Warmtebehandeling met spanningsverlichting, controle van het warmtebehandelingsproces en selectie van legeringen zijn andere methoden om restspanningen te beheersen.

Aangezien de vloeigrens van het metaal afneemt naarmate de temperatuur stijgt, kunnen metalen spanningsvrij worden gemaakt door ze te verhitten tot een temperatuur waarbij de vloeigrens van het metaal gelijk is aan of kleiner is dan de grootte van de restspanning. Als dit gebeurt, kan het metaal microscopisch kleine plastische vervorming ondergaan, waardoor ten minste een deel van de restspanning wordt vrijgemaakt. Na het ontlasten zal de maximale restspanning die in het object achterblijft gelijk zijn aan de vloeigrens van het materiaal bij de ontlastende temperatuur.

Restspanningen kunnen worden verminderd door lagere koelsnelheden te gebruiken om temperatuurvariaties te verminderen, zodat fasetransformaties uniformer kunnen plaatsvinden door de doorsnede van een component. Welnu, dit zal gebaseerd zijn op het perspectief van componentverwerking. In dit geval kunnen legeringen met lagere afkoelsnelheden worden gekozen, terwijl de gewenste fasetransformaties nog steeds optreden.

Conclusie

Restspanningen zijn gezien als positie of negatief op het materiaal. Ze kunnen voorkomen en de levensduur van het materiaal verminderen en ook kunnen ze met opzet in een object worden geïmplementeerd om bepaalde restspanningen te krijgen. In dit artikel hebben we de definitie, typen, oorzaken, effecten, controle en het meten van restspanningen gezien.

Ik hoop dat je het leuk vond om te lezen, zo ja, reageer dan alsjeblieft op je favoriete gedeelte in dit bericht. En vergeet niet te delen met andere technische studenten. Bedankt!