Роль остаточных стрессов в материальном отказе холоднокатаных металлов

Остаточные напряжения — это внутренние напряжения, которые остаются заблокированными в материале после изготовления или обработки, даже когда не применяется внешняя нагрузка. В холоднокатаных металлах эти напряжения возникают из-за процессов, таких как прокатка, ковка, рисование или изгиб, выполняемых при комнатной температуре. Понимание роли остаточных напряжений имеет важное значение, поскольку они могут значительно влиять на механические характеристики металла, срок службы усталости и режимы отказа. В этой статье исследуется характер остаточных напряжений в холоднокатаных металлах, их влияние на материальный отказ и стратегии управления ими для повышения надежности компонентов.

Что такое остаточные стрессы?

Остаточные напряжения — самоуравновешивающиеся внутренние напряжения, существующие в материале при отсутствии внешних сил или тепловых градиентов. Они являются прямым результатом неоднородной пластической деформации, фазовых превращений или тепловых градиентов при обработке. В холоднокатаных металлах остаточные напряжения вызваны прежде всего неоднородной пластической деформацией при комнатной температуре. Например, при изгибе металлического стержня наружные волокна подвергаются растягивающему пластическому деформации, а внутренние волокна испытывают сжимающее пластиковое деформирование. После разгрузки несовместимые деформации производят сбалансированную систему остаточных напряжений: растяжение на выпуклой поверхности и сжатие на вогнутой стороне, с нейтральной осью между ними.

Остаточные напряжения могут быть либо растягивающими (раздвигая материал на части), либо сжимающими (сжимая материал вместе). Их распределение по всему сечению зависит от конкретного процесса холодной обработки и свойств материала. Как правило, холоднокатаные листы проявляют растягивающие остаточные напряжения на поверхности и сжимающие в сердцевине, в то время как холоднокатаные стержни часто имеют сжимающие поверхностные напряжения и растягивающие напряжения в сердцевине. Эти модели напряжений могут варьироваться по величине, иногда приближаясь к пределу прочности материала.

Происхождение остаточного стресса в холодных обработанных металлах

Механизмы генерации стресса

Во время холодной обработки металл подвергается пластической деформации при температурах ниже точки перекристаллизации. Эта деформация редко бывает однородной поперечному сечению. Поверхностные слои могут деформироваться больше, чем внутренние области из-за трения с инструментами, гибнет или валится. Получающийся градиент в пластическом деформации создает несоответствие эластичных деформаций при разгрузке, порождая остаточные напряжения. Общие процессы холодообработки, которые вводят значительные остаточные напряжения, включают:

• Холодная прокатка — листовая и пластинчатая прокатка создают растягивающие поверхностные напряжения и сжимающие напряжения сердечника из-за сильной деформации поверхности и геометрии зазора в крене.
• Холодный рисунок — Провод, штанга и трубка рисунка генерируют сжимающие поверхностные напряжения (полезные для усталости), но растягивающие напряжения в центре, если снижение является чрезмерным.
• Изгиб и формирование — Изгиб вводит линейный градиент напряжения по толщине, с растягивающими напряжениями на внешнем радиусе изгиба и сжимающими на внутреннем радиусе изгиба.
• Перестрелка — обработка поверхности, которая намеренно вводит сжимающие остаточные напряжения для улучшения жизни усталости, хотя она также создает растягивающие напряжения глубже под поверхностью.
• Стрижка и обработка — Эти операции отделки могут вызывать остаточные напряжения на растяжимой поверхности из-за термических и механических эффектов.

Факторы, влияющие на величину и распределение остаточного стресса

Несколько факторов влияют на величину и распределение остаточных напряжений в холоднокатаных металлах:

• Степень деформации — Более высокие сокращения обычно приводят к большим остаткам напряжения, вплоть до точки насыщения вблизи предела текучести материала.
• Материальные свойства — Прочность упругости, скорость закалки деформации и упругий модуль влияют на уровни напряжения. Более прочные материалы могут выдерживать более крупные остаточные напряжения.
• Геометрия — Толщина, ширина и форма влияют на распределение напряжения. Тонкие секции показывают более выраженные градиенты от поверхности до ядра.
• Параметры обработки — Скорость, смазка, температура (даже изменения комнатной температуры) и состояние инструмента играют определенную роль.
• Последующие операции — дополнительная холодная работа, термообработка или отделка поверхности могут изменять или снимать существующие остаточные напряжения.

Измерение и характеристика остаточных стрессов

Для понимания их воздействия на отказ необходимо точное измерение остаточных напряжений. Существует несколько методов, каждая из которых имеет свои сильные и ограниченные стороны:

Деструктивные методы

• Метод бурения на выдержке — В компонент просверливается небольшое отверстие, и полученный рельеф деформации измеряется тензодатчиками. Этот стандартный метод (ASTM E837) обеспечивает профили напряжения вблизи поверхности.
• Контурный метод — часть разрезается по плоскости, и измеряется контур поверхности разреза. Применяя упругую суперпозицию, можно реконструировать нормальное поле остаточного напряжения к плоскости разреза. Этот метод может измерять напряжения глубоко внутри толстых секций.
• Методы разреза — Разрез компонента на мелкие кусочки позволяет измерять высвобождаемые штаммы. Методы удаления слоев могут обеспечивать профили глубины.

Неразрушающие методы

• Рентгеновская дифракция (XRD) — Измеряет деформацию решетки в кристаллических материалах путем обнаружения сдвигов в пиках дифракции. XRD является поверхностно-чувствительным (обычно глубина 10-20 мкм), но может быть объединен с удалением слоя для получения профилей глубины.
• Нейтронная дифракция — похожа на XRD, но использует нейтроны, которые проникают гораздо глубже (сантиметры).
• Ультразвуковые методы — Скорость ультразвуковых волн изменяется при напряжении через акустоупругий эффект. Эти методы менее точны, но могут применяться в полевых условиях.
• Магнитные методы — Бархаузеновые шумовые и магнитные домены чувствительны к напряжению. Используются в основном для ферромагнитных сталей.

Каждый метод имеет компромиссы в пространственном разрешении, глубине проникновения, точности и стоимости.Для анализа отказов сочетание деструктивных и неразрушающих методов часто обеспечивает наиболее полную картину.

Влияние остаточного стресса на материальный сбой

Остаточные напряжения могут либо усиливать, либо ослаблять металлический компонент в зависимости от их знака, величины и распределения относительно применяемых нагрузок. Они действуют как уже существующее поле напряжения, взаимодействующее со стрессами обслуживания. Чистый эффект заключается в увеличении или уменьшении общего напряжения, испытываемого материалом в критических местах.

Влияние на усталость и перелом

Неусталость является высокочувствительной к остаточному напряжению. Остаточные напряжения на поверхности особенно вредны, поскольку усталостные трещины обычно инициируются на поверхности при циклической нагрузке. Растягивающий остаточный стресс добавляет к приложенному напряжению на растяжение, эффективно увеличивая среднее напряжение и снижая предел усталости. Это может привести к раннему началу трещины и более быстрому распространению трещин. И наоборот, сжимающие остаточные напряжения на поверхности уменьшают эффективное напряжение на растяжение, задерживая начало трещины и замедляя рост. Улучшение жизни усталости от полезных сжимающих напряжений может быть существенным, часто в 2-10 раз.

Для перелома при монотонной нагрузке остаточные напряжения влияют на коэффициент интенсивности напряжения на кончиках трещин. Растягивающее остаточное поле напряжения увеличивает эффективную интенсивность напряжения, потенциально вызывая нестабильный перелом при более низких применяемых нагрузках. Сжимающие остаточные напряжения могут остановить распространение трещины или потребовать более высоких внешних нагрузок для перелома. Это особенно важно в толстых секциях, где остаточные напряжения являются трехосными и могут приближаться к пределу прочности выхода.

Влияние на коррозионное стрекозы стресса (SCC)

Для растрескивания коррозионного напряжения требуется чувствительный материал, коррозионная среда и растягивающее напряжение. Остаточные растягивающие напряжения часто являются основным источником напряжения при выходах из строя SCC, особенно в компонентах, которые не сильно нагружены снаружи. Например, холоднокатаные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы в агрессивных средах могут выходить из строя SCC только из-за остаточного напряжения. Пороговое напряжение для SCC может быть до 20-30% от предела прочности выходного сигнала. Измерение и контроль остаточного напряжения поэтому имеют решающее значение в отраслях, занимающихся коррозионными средами, такими как химическая обработка, нефть и газ и аэрокосмическая промышленность.

Влияние на хрупкость водорода

Охрупчение водорода - еще один режим отказа, усугубляемый остаточными напряжениями растяжения. Атомы водорода диффундируют в металл и концентрируются в областях высокого гидростатического напряжения, таких как перед кончиками трещин или при включении. Остаточные напряжения растяжения увеличивают местную растворимость водорода и способствуют инициированию и распространению трещин. Особенно восприимчивы высокопрочные стали и некоторые титановые сплавы. Правильное снятие напряжения после холодной работы необходимо для минимизации рисков хрупкости водорода.

Влияние на искажение и размерную стабильность

Остаточные напряжения могут вызвать неожиданное искажение при удалении материала механической обработкой или во время службы. Если распределение напряжений не находится в равновесии, удаление материала может высвободить напряжения и вызвать деформацию. Это распространенная проблема в прецизионных компонентах, изготовленных из холоднокатаного материала. Кроме того, остаточные напряжения могут расслабляться с течением времени (даже при комнатной температуре) из-за микропластичности, что приводит к размерной нестабильности в прецизионных инструментах или структурных компонентах.

Механизмы неудач, вызванные остаточными стрессами

Преждевременная усталость

Один из наиболее распространенных сценариев отказа включает в себя растягивающие остаточные напряжения, снижающие усталостную прочность ниже ожидаемых уровней. Например, холодные провода часто имеют растягивающие поверхностные напряжения, которые снижают предел усталости, что приводит к неожиданным сбоям в пружинах, кабелях и крепежах. И наоборот, стреляющий пининг намеренно используется для создания сжимающих поверхностных напряжений, но если параметры пининга плохо контролируются, он может производить чрезмерную холодную работу, которая ухудшает усталостный срок службы, а не улучшает его.

Статическая перегрузка Fracture

Компоненты, содержащие высокие остаточные напряжения растяжения, могут разрушаться при приложенных нагрузках, которые значительно ниже номинальной прочности материала. Это особенно опасно в закаленных и закаленных сталях, где остаточные напряжения объединяются с приложенными напряжениями, чтобы превысить окончательную прочность на растяжение локально. Может произойти катастрофический хрупкий перелом, как видно из некоторых отказов болтов высокой прочности.

Отсроченное вскрытие и вскрытие Quench

Остаточные напряжения от холодной работы могут вызывать растрескивание, которое появляется через несколько часов или дней после обработки, известное как замедленное растрескивание. Это часто наблюдается в глубоко натянутых или сильно сформированных частях, где сочетание высокого остаточного напряжения и водорода окружающей среды приводит к зависящему от времени росту трещин. Растрескивание квенча в обработанных теплом частях является связанным явлением, когда тепловые и трансформационные напряжения сочетаются с предыдущими напряжениями холодной работы.

Биметаллические и сварные отказы

Когда холоднокатаные металлы свариваются или соединяются с другими материалами, сочетание остаточных напряжений от холодной работы и сварки может создавать сложные стрессовые состояния, которые способствуют растрескиванию. Например, трубки из нержавеющей стали, сваренные в шлемы, могут испытывать коррозионное растрескивание под напряжением вблизи зоны, подверженной воздействию тепла сварки, из-за суперпозиции остаточных напряжений сварки и холодной работы.

Управление остаточными стрессами в холодных обработанных металлах

Инженеры используют различные методы для контроля остаточных напряжений на протяжении всего производственного процесса, от проектирования до окончательной обработки. Цель состоит в том, чтобы уменьшить вредные растягивающие напряжения или превратить их в полезные сжимающие напряжения.

Стрессовая помощь отжига

Нагрев металла до подкритической температуры (обычно 400-700°С для сталей, в зависимости от сплава) и удерживание достаточно долго, чтобы позволить расслаблению напряжения путем ползучести и восстановления, затем медленное охлаждение, уменьшает остаточные напряжения без значительного изменения механических свойств материала. Это наиболее распространенный метод для снятия напряжения после холодной работы. Однако полное удаление часто нецелесообразно из-за ограничений по времени и стоимости, и некоторые остаточные напряжения неизбежно остаются.

Вибрационный стресс облегчение

Этот метод применяет низкоамплитудные циклические вибрации к компоненту, вызывая микромасштабную пластическую деформацию, которая расслабляет остаточные напряжения. Он особенно полезен для крупных структур, где снятие теплового напряжения непрактично. Хотя менее эффективен, чем тепловая обработка, вибрационное снятие напряжения может уменьшить пиковые напряжения и улучшить стабильность размеров.

Поверхностная обработка

Поверхностная обработка широко используется для введения полезных сжимающих остаточных напряжений на поверхности:

• Перестрелка — Бомбардировка поверхности небольшими сферическими выстрелами (сталь, стекло, керамика) создает слой сжимающего остаточного напряжения, как правило, глубиной 0,1-0,5 мм. Это резко улучшает усталостный срок службы пружин, шестерен и валов.
• Лазерный ударный пининг — Использует высокоэнергетические лазерные импульсы для создания плазмы, которая генерирует сжимающие напряжения глубже, чем традиционный выстрелный пининг (до 1-2 мм).
• Ультразвуковое пининг — Подобно выстрелу пининг, но использует ультразвуковую вибрацию для ускорения выстрелов, предлагая более тонкий контроль.
• Роллерная обработка — плавный ролик под высоким давлением пластически деформирует поверхность, создавая сжимающие напряжения и улучшенную отделку поверхности.

Контролируемые параметры обработки

Корректировка параметров холодообработки может свести к минимуму образование остаточного напряжения. Например, использование меньших сокращений с промежуточными отжигами, оптимизация смазки, управление геометрией рулона и применение обратного напряжения может привести к более равномерной деформации и снижению остаточного напряжения. Моделирование конечных элементов все чаще используется для прогнозирования и оптимизации этих параметров.

Модификации дизайна

Изменения в конструкции компонентов могут уменьшить воздействие остаточных напряжений. Используя большие радиусы филе, избегая резких зарубок и обеспечивая симметричные поперечные сечения, снижают концентрацию напряжений и пагубные последствия растягивающих остаточных напряжений. В некоторых случаях используется проектирование последовательности обработки для создания полезных моделей остаточного напряжения (например, автофретаж сосудов под давлением).

Постпроцессорные техники

Другие методы включают:

• Криогенная обработка — Глубокое замораживание может ослабить стресс в некоторых металлах.
• Электрополировочный и химический травление — удаление поверхностных слоев, содержащих растягивающие остаточные напряжения.
• Механическое выпрямление (FLT:0) — может вводить новые остаточные напряжения; должно тщательно контролироваться.

Приложения и практические соображения

Во многих отраслях промышленности управление остаточным напряжением имеет решающее значение. В аэрокосмической промышленности турбинные диски и лопасти компрессоров подстрелены для смягчения усталости от циклических нагрузок. В автомобильной промышленности пружины подвески и соединительные стержни полагаются на контролируемые сжимающие напряжения для долговечности. В нефтегазовой отрасли коррозионное растрескивание под напряжением в трубопроводах смягчается требованием снятия напряжения после холодного изгиба. В промышленности медицинских изделий ортопедические имплантаты, изготовленные из холоднокатаных титановых сплавов, требуют тщательного остаточного контроля напряжения для предотвращения выхода из строя при циклической нагрузке.

Важно отметить, что остаточные напряжения не всегда вызывают сбой. На самом деле полезные остаточные напряжения часто намеренно проектируются в компоненты. Например, автофеттаж стволов орудий и сосудов высокого давления создает сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают мощность рабочего давления. Ключом является понимание всего состояния рабочего напряжения, включая остаточные напряжения, приложенные нагрузки и факторы окружающей среды, для точного прогнозирования сбоя.

Заключение

Остаточные напряжения являются неотделимым следствием процессов холодной обработки и играют решающую роль в отказе металлических компонентов.Остаточные напряжения на растяжение снижают срок службы усталости, способствуют коррозионному растрескиванию под напряжением и могут вызывать преждевременные переломы, в то время как сжимающие остаточные напряжения часто полезны и намеренно вводятся для повышения производительности. Инженеры должны учитывать остаточные напряжения при проектировании, обработке и прогнозировании срока службы. Достижения в методах измерения, таких как нейтронная дифракция и контурный метод, в сочетании с вычислительным моделированием, теперь позволяют более точно количественно оценить и управлять остаточными напряжениями. Понимая происхождение, распределение и последствия остаточных напряжений, отрасли могут производить более безопасные и надежные металлические компоненты с холодной обработкой, снижая риск неожиданных сбоев и продлевая срок службы.

Для дальнейшего чтения по теории остаточного стресса, стандартам измерений и практике управления см. серию руководств ASM International, ASTM стандарты для измерения остаточного стресса (E837, E1426) и Wikipedia статья о остаточном стрессе. Дополнительные ресурсы включают Международный журнал усталости и публикации из Общество экспериментальной механики.