فناوری کاهش استرس باقیمانده - روش‌ها, مکانیسم ها

خلاصه اجرایی

تنش‌های پسماند، تنش‌های قفل‌شده‌ای هستند که پس از ساخت یا سرویس در قطعات باقی می‌مانند.

آنها به شدت بر ثبات ابعادی تأثیر می گذارند, زندگی خستگی, اعوجاج در هنگام ماشینکاری یا مونتاژ, و حساسیت به ترک خوردگی و خوردگی.

طیف گسترده ای از فناوری ها برای کاهش یا توزیع مجدد تنش های پسماند وجود دارد: روش های حرارتی (بازپخت, عملیات حرارتی پس از جوشکاری, آنیل راه حل), روش های مکانیکی (کشش, خم), عملیات مکانیکی سطح (شلی, تاثیر اولتراسونیک), کاهش استرس ارتعاشی, و فرآیندهای پیشرفته (فشار ایزوستاتیک داغ, لایه برداری لیزری).

هر روش مکانیزم متفاوتی دارد, پاکت اثربخشی, خطرات (تغییر ریزساختاری, از دست دادن خلق و خو, تحریف), و کاربرد صنعتی.

1. استرس پسماند چیست؟

سطوح و معنای آنها برای مهندسی

• تنش پسماند ماکرو (مقیاس جزء): از میلی متر تا متر متغیر است; بر اعوجاج تأثیر می گذارد, تناسب مونتاژ و خستگی.
  بزرگی های معمولی: ده تا چند صد مگاپاسکال; جوش ها و مناطق به شدت خاموش شده ممکن است مقادیری را تقریباً نشان دهند 0.5-1.0 از قدرت تسلیم در شرایط محدودیت شدید. بر این اساس از عوامل ایمنی طراحی استفاده کنید.
• استرس پسماند میکرو (دانه / مقیاس فاز): ناشی از عدم تطابق فاز-حجم یا ناسازگاری پلاستیک بین ریز اجزاء است.
  قدرهای موضعی می توانند در حجم های محدود زیاد باشند اما معمولاً در سراسر بخش ها یکنواخت نیستند.
• تنش در مقیاس اتمی: اعوجاج شبکه نزدیک نابجایی ها میدان های محلی بسیار بالایی در مقیاس اتمی ایجاد می کند; اینها مستقیماً با معیارهای تنش پسماند مهندسی قابل مقایسه نیستند و معمولاً فقط جنبه علمی دارند.

راهنمایی عملی: هنگامی که یک بررسی یا مشخصات، تنش پسماند را به عنوان کسری از عملکرد ذکر می کند, مبنای را درخواست کنید (روش اندازه گیری, موقعیت و شرایط نمونه). از تلقی یک «۸۰ درصد بازده» به عنوان جهانی خودداری کنید.

منابع تشکیل کلید

تنش پسماند از سه فرآیند تولید اصلی سرچشمه می گیرد, که نوع و میزان تنش را تعیین می کند:

• ریشه های حرارتی: شیب دما در طول گرمایش/سرمایش (به عنوان مثال, ریخته گری تثبیت, چرخه های حرارتی جوشکاری) منجر به انبساط / انقباض ناهموار شود, ایجاد تنش پسماند حرارتی - محاسبه 60% موارد تنش پسماند صنعتی.
• ریشه های مکانیکی: تغییر شکل پلاستیک ناهموار در طول پردازش مکانیکی (به عنوان مثال, ماشینکاری, مهر زنی, نورد سرد) دررفتگی و اعوجاج شبکه ایجاد می کند, ایجاد تنش پسماند مکانیکی.
• مبدا تبدیل فاز: تغییر حجم در طول تبدیل فاز حالت جامد (به عنوان مثال, آستنیت← مارتنزیت در کوئنچینگ) القای تنش پسماند تبدیلی, رایج در فولادهای با استحکام بالا عملیات حرارتی شده است.

2. چرا استرس باقیمانده را از بین ببرید؟?

افزایش زندگی خستگی

• تنش پسماند کششی مستقیماً به تنش های چرخه ای می افزاید, افزایش احتمال شروع ترک.
  حذف یا مقابله با تنش کششی سطح (به عنوان مثال با لایه برداری فشاری) به طور قابل اعتمادی عمر خستگی را بهبود می بخشد; بهبودهای گزارش شده به طور گسترده با هندسه و بارگذاری متفاوت است اما دو برابر شدن یا بیشتر عمر برای بسیاری از اتصالات جوش داده شده و سطوح دندانه دار قابل قبول است.
  از ادعاهای تک عددی بدون هندسه مرجع و حالت بار پرهیز کنید.

بهبود ثبات ابعادی

• رفع استرس پسماند اعوجاج ماشینکاری و مونتاژ را کاهش می دهد. مزایای کمی به هندسه و نسبت تنش آزاد شده در طول ماشینکاری بستگی دارد.
  انتظار داشتن کاهش قابل توجهی در رانش پس از ماشینکاری برای آهنگری‌ها و ریخته‌گری‌های با تنش شدید زمانی که از پیش ماشین‌کاری مناسب استفاده می‌شود.

تقویت مقاومت در برابر خوردگی

• تنش پسماند کششی ترک خوردگی ناشی از تنش را تسریع می کند (SCC) و خوردگی حفره ای با ایجاد سلول های خوردگی الکتروشیمیایی در مکان های متمرکز با تنش.
  تنش زدایی تنش کششی را به تنش فشاری سطح پایین تبدیل می کند یا آن را از بین می برد, بهبود عملکرد خوردگی.

ماشینکاری و بازده پردازش را بهینه کنید

• تسکین استرس باعث کاهش دوباره کاری / ضایعات ناشی از تاب برداشتن می شود; همچنین در بسیاری از موارد تلرانس ماشینکاری و عملکرد ابزار را تثبیت می کند.
  بهبود بازده مورد انتظار را با آزمایشات آزمایشی و اندازه گیری کمی کنید.

3. اندازه گیری تنش پسماند

روش های اندازه گیری کلیدی و محدودیت های عملی

• پراش اشعه ایکس (XRD) - روش سطحی با عمق نمونه برداری موثر به طور معمول در میکرومتر دامنه (بارها ~ 5-20 میکرومتر, بسته به انرژی اشعه ایکس و پوشش);
  مناسب برای تنش سطحی, وضوح به ابزار و تکنیک بستگی دارد (عدم قطعیت معمولی ≈ ± 10-30 مگاپاسکال تحت کنترل آزمایشگاهی خوب).
• حفاری سوراخ (ASTM E837) - تکنیک نیمه مخرب برای پروفیل های نزدیک به سطح;
  پیاده سازی استاندارد معمولا به اندازه گیری به ~ 1 میلی متر عمق در فلزات با استفاده از حفاری افزایشی و کاهش داده های مناسب; اندازه گیری عمیق تر به روش های سازگار و کالیبراسیون دقیق نیاز دارد.
• پراش نوترون - اندازه گیری فله غیر مخرب قادر به کاوش سانتی متر به فلزات; برای نگاشت تنش داخلی اجزای بزرگ قدرتمند است اما نیاز به دسترسی به تاسیسات نوترونی و هزینه/زمان قابل توجهی دارد.
• روش کانتور - مخرب, اما نقشه 2 بعدی تنش پسماند را در صفحه برش ارائه می دهد; برای شرایط استرس داخلی پیچیده موثر است.
• روش های دیگر - اولتراسونیک, سروصدای بارخاوزن, و تکنیک های مغناطیسی برای غربالگری مفید هستند اما کمتر از پراش یا سوراخ کاری مستقیم هستند.

4. روش های کاهش استرس پسماند

روش های کاهش استرس پسماند به سه دسته کلی تقسیم می شوند: گرمی, مکانیکی / سطح, وت ترکیبی - به‌علاوه مجموعه‌ای از تکنیک‌های تخصصی مورد استفاده برای اجزای خاص یا با ارزش بالا.

فن آوری های کاهش تنش باقیمانده حرارتی

مکانیزم. گرمایش تحرک نابجایی را افزایش می دهد و فرآیندهای خزش و بازیابی را فعال می کند، بنابراین تنش های قفل شده از طریق جریان پلاستیک کاهش می یابد., بهبودی و (اگر به اندازه کافی بالا باشد) تبلور مجدد.

روش‌های حرارتی می‌توانند از طریق بخش کامل عمل کنند و پیش‌فرض برای تنش ماکروسکوپی حجیم هستند.

تکنیک های اصلی

• آنیل کاهش استرس (TSR): حرارت دادن به دمای تنش زدایی زیر دمای تبدیل یا محلول, نگه داشتن (خیس کردن), سپس با سرعت کنترل شده خنک شود.

• • راهنمایی معمولی (وابسته به مواد):

• • • فولاد کربن: ~450-700 درجه سانتیگراد (معمولاً 540-650 درجه سانتیگراد برای بسیاری از جوش ها); زمان نگهداری به ضخامت مقیاس شده است (قانون سرانگشتی: 1-2 ساعت در هر 25 میلی متر اغلب نقل قول می شود اما باید تایید شود).
    • فولاد آلیاژ / فولاد ابزاری: تعدیل یا کاهش دمای PWHT در هر متالورژی; از مزاج بیش از حد خودداری کنید.
    • آلیاژهای آلومینیوم: کاهش استرس در دمای پایین / پیری 100-200 درجه سانتیگراد; از دستورالعمل‌های دمای آلیاژ پیروی کنید.
    • فولادهای ضد زنگ آستنیتی: "تسکین استرس" معمولی با دمای پایین کارایی محدودی دارد; آنیل راه حل (~ 1000-1 100 درجه سانتیگراد) برای تنظیم مجدد ریزساختاری استفاده می شود اما ابعاد و اکسید سطح را تغییر می دهد.

• • اثربخشی: به طور معمول تنش های ماکروسکوپی را کاهش می دهد ~50-90٪ بسته به هندسه و محدودیت.
  • خطرات: اعوجاج از گرادیان های حرارتی, کربن زدایی/اکسیداسیون, نرم شدن ریزساختاری یا بارش (کاربید, فاز سیگما) اگر دما یا نگهداری نامناسب باشد.

• عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT): یک چرخه SR هدفمند که به مجموعه های جوش داده شده برای تعدیل مارتنزیت و کاهش تنش های HAZ اعمال می شود.
  پارامترها باید با کدهای مربوطه مطابقت داشته باشند (عیاش, در, و غیره) و محدودیت های متالورژیکی.
• محلول آنیل و خاموش می شود (برای آلیاژهای خاص): رسوبات را حل می کند و ریزساختار همگن را دوباره ایجاد می کند; خنک سازی سریع برای جلوگیری از بارندگی مجدد لازم است.
  برای برخی از ضد زنگ استفاده می شود, آلیاژهای دوبلکس و ریخته گری سوپر دوبلکس.
• فشار ایزوستاتیک داغ (باسن): ترکیب دمای بالا و فشار ایزواستاتیک بالا.
  HIP تخلخل داخلی را از بین می برد و جریان پلاستیک را تحت فشار هدایت می کند, کاهش استرس و نقص های داخلی.
  برای قطعات ریخته گری و افزودنی که در آن عیب های داخلی و تنش های پسماند وجود دارد بسیار موثر است, اما گران و محدود به قطعات/اقتصادی که آن را توجیه می کند.

زمان استفاده: بخش های ضخیم, مجموعه های جوش داده شده با محدودیت شدید, ریخته گری سنگین, قطعاتی که در آنها تنش زدایی از طریق ضخامت مورد نیاز است و متالورژی حرارتی اجازه بازپخت ایمن را می دهد.

روش های مکانیکی و مبتنی بر تغییر شکل (فله ای و محلی)

مکانیزم. تغییر شکل پلاستیک کنترل شده القایی تنش باقیمانده را دوباره توزیع می کند; بارهای اعمال شده می تواند الاستیک-پلاستیک یا کاملاً پلاستیکی باشد و می تواند سراسری باشد (کشش) یا محلی (صاف کردن).

تکنیک های اصلی

• کشش / پیش کشش: اعمال کرنش پلاستیک محوری کنترل شده به میله ها, میله ها یا قطعات شکل پذیر.
  برای مدت طولانی موثر است, اشکال منشوری و تولید سیم/میله برای کاهش تنش طولی قفل شده.

• • اثربخشی: برای مولفه محوری بسیار خوب است; نه برای هندسه های پیچیده.

• صاف کردن مکانیکی / خم شدن پلاستیک: پلاستیک سازی عمدی برای مقابله با اعوجاج های شناخته شده یا برای آرام کردن انحنای داخلی.
• بارگذاری فشاری کنترل شده: در برخی از صفحات / پانل ها برای توزیع مجدد باقیمانده های کششی استفاده می شود; باید به دقت مهندسی شود تا از آسیب های جدید جلوگیری شود.

زمان استفاده: قطعاتی که تغییرات پلاستیکی کنترل‌شده را تحمل می‌کنند و زمانی که روش‌های حرارتی غیرعملی هستند یا به مزاج/تمام آسیب می‌رسانند. روش های مکانیکی سریع و کم هزینه هستند اما می توانند تغییر شکل ایجاد کنند.

روش های مهندسی سطح (ایجاد لایه های فشاری مفید)

مکانیزم. یک لایه تغییر شکل پلاستیکی نزدیک به سطح با تنش پسماند فشاری بالا ایجاد کنید - این کار تنش‌های کششی عمیق هسته را حذف نمی‌کند، اما اثر آن‌ها را برای شکست‌های شروع شده از سطح خنثی می‌کند. (خستگی, SCC).

تکنیک های اصلی

• شلی / نافذ شدن انفجار: رسانه های ضربه ای باعث ایجاد کرنش پلاستیکی سطح کنترل شده و تنش فشاری می شوند.

• • پارامترهای معمولی: شدت آلمن, اندازه شات / الگوی و پوشش.
  • عمق: لایه فشاری معمولا 0.1-1.5 میلی متر, بسته به انرژی شات و مواد.
  • تنش های فشاری نزدیک به سطح معمولی: تا چند صد مگاپاسکال در نزدیکی سطح.
  • برنامه: چرخ دنده, چشمه, شفت, انگشتان پا; به خوبی تثبیت شده و مقرون به صرفه است.

• لایه برداری لیزری: شوک ناشی از لیزر لایه های فشاری عمیق تری تولید می کند (معمولاً 1-3 میلی متر, در برخی گزارش ها عمیق تر است), با کنترل عالی و حداقل زبری سطح افزایش می یابد. بسیار موثر اما سرمایه بر.
• درمان ضربه اولتراسونیک (خارج) / پینینگ اولتراسونیک: بهبود هدفمند جوش پا, برای عمر خستگی مفاصل جوش داده شده خوب است.
• غلتک / چکش کاری, نورد سطحی با انعطاف پذیری کم: پوشش های صاف تر و باقیمانده های فشاری با حداقل تغییر توپولوژی سطح تولید می کند.

زمان استفاده: سطوح بحرانی خستگی, اتصالات جوش داده شده در معرض بارگذاری چرخه ای, اجزایی که در آن ترک های سطحی بر شکست غالب است.

روش‌های سطحی برای افزایش عمر استاندارد هستند که در آن نیازی به تسکین ضخامت نیست.

کاهش استرس ارتعاشی (VSR)

مکانیزم. قطعه را در فرکانس های تشدید یا نزدیک به تشدید ارتعاش دهید تا کوچک شود, ریزحرکات پلاستیکی مکرر که استرس باقیمانده را کاهش می دهد.

یادداشت های تمرینی

• تحریک معمولی: فرکانس های طبیعی در ده ها تا چند صد هرتز دامنه; مدت زمان فرآیند معمولا 0.5-2 ساعت بسته به قسمت.
• اثربخشی: نتایج به طور گسترده ای با هندسه متفاوت است, وضعیت استرس اولیه و تنظیم.
  در موارد مطلوب VSR به دست می آورد ده ها درصد کاهش; با این حال، نتایج متناقض هستند و باید با اندازه گیری اعتبار سنجی شوند.
• مزایا: قابل حمل, بدون دمای بالا, را می توان در محل برای سازه های جوشی که نمی توانند وارد کوره شوند اعمال کرد.
• محدودیت ها: برای هسته های کششی عمیق قابل اعتماد نیست, قطعات پیچیده یا زمانی که نیاز به کاهش های بزرگ بدون تایید است.

توصیه مهندسی: از VSR فقط پس از آزمایش های آزمایشی و اندازه گیری هدفی قبل و بعد از آن استفاده کنید (حفاری سوراخ, کرنش سنج ها).
آن را به عنوان یک گزینه عملی اما تجربی تایید شده به جای یک درمان تضمین شده در نظر بگیرید.

درمان های برودتی و دمای پایین

مکانیزم. چرخه های برودتی می توانند آستنیت باقی مانده را تبدیل کنند, ساختارهای نابجایی را تغییر داده و میدان‌های تنش پسماند را تا حدی تغییر می‌دهند.

عمدتاً در فولادهای ابزار و ابزارهای برش برای افزایش مقاومت در برابر سایش و ثبات ابعادی استفاده می شود.

زمان استفاده: برنامه های تخصصی (ابزار, لبه های برش) که در آن فاز ریزساختاری تغییر می کند (آستنیت حفظ شده → مارتنزیت) مطلوب هستند; یک روش کلی کاهش تنش فله ای برای قطعات ساختاری نیست.

روش های ترکیبی و پیشرفته

مکانیزم. اقدامات حرارتی و مکانیکی را برای افزایش اثربخشی ترکیب کنید (به عنوان مثال, برای کاهش بازده و اعمال بار مکانیکی حرارت دهید, یا در هنگام گرمایش ملایم از لرزش استفاده کنید).

نمونه

• تسکین حرارتی مکانیکی: حرارت را تا دمای زیر بحرانی برای کاهش استحکام تسلیم, سپس بار یا ارتعاش کنترل شده را اعمال کنید.
  می تواند در دمای اوج پایین تر و با اعوجاج کمتر نسبت به آنیل کامل به تسکین عمیق تری دست یابد.
• سیکل های حرارتی با کمک اولتراسونیک / درمان های به کمک لیزر: تسریع انتشار یا افزایش پلاستیسیته به صورت موضعی, امکان کاهش بودجه حرارتی. این موارد در حال ظهور و اغلب مختص کاربرد هستند.

زمان استفاده: مجتمع, با ارزش بالا, یا اجزای حساس به حرارت که در آن عملیات حرارتی خالص نامطلوب است و سرمایه گذاری در آنها موجه است.

فشار ایزوستاتیک داغ (باسن) - درمان فله تخصصی

مکانیزم. افزایش دما تحت فشار گاز ایزواستاتیک باعث جریان پلاستیک و بسته شدن حفره های داخلی می شود و تنش پسماند داخلی را کاهش می دهد و در عین حال چگالی را بهبود می بخشد..

موارد استفاده کنید: ریخته گری و قطعات ساخته شده با مواد افزودنی با تخلخل داخلی یا غلظت تنش داخلی غیرقابل قبول.
باسن به طور منحصر به فردی قادر به بهبود همزمان عیوب و تنش های آرامش بخش است، اما گران است و به دلیل اندازه قطعه و اقتصادی محدود می شود..

5. ماتریس انتخاب عملی

• ریخته گری انبوه ضخیم / جوش های به شدت مهار شده:کاهش استرس حرارتی (TSR / PWHT) یا باسن هنگامی که تخلخل همزمان وجود دارد.
• سطوح بحرانی خستگی / انگشتان پا:شلی, UIT یا لایه برداری لیزری.
• سازه های جوش داده شده بزرگ که در آن کوره غیرممکن است:VSR معتبر + پیش اعوجاج مکانیکی و ریزش موضعی هدفمند; نیاز به اعتبارسنجی اندازه گیری.
• قطعات ساخته شده به صورت افزودنی: در نظر گرفتن گرمایش در حین فرآیند, کاهش استرس پس از ساخت, وت باسن برای اجزای حیاتی.
• قطعات دقیق کوچک (تحمل ابعادی محکم): تسکین حرارتی در دمای پایین یا روش های مکانیکی که برای به حداقل رساندن اعوجاج طراحی شده اند (به عنوان مثال, آنیل محدود با دمای پایین, کشش کنترل شده).

6. هشدارهای عملی و فعل و انفعالات متالورژیکی

• از مزاج نامناسب خودداری کنید: دمای کاهش تنش می تواند سختی را تغییر دهد, استحکام کششی و ریزساختار - همیشه از اطلاعات مواد استفاده کنید (به عنوان مثال, منحنی های تمپرینگ برای فولادهای خاموش شده).
• مراقب بارش فاز باشید: نگهداری طولانی در برخی محدوده ها باعث افزایش کاربید می شود, فاز سیگما, یا سایر رسوبات مضر در آلیاژهای ضد زنگ و دوبلکس.
• کنترل ابعاد: چرخه‌های حرارتی و HIP ممکن است باعث رشد/تسکین تنش‌های پسماند شوند، اما تغییرات ابعادی را نیز در پی داشته باشند..
• امنیت & محیط زیست: تخلیه, اندازه, و از دست دادن مقاومت در برابر خوردگی خطرات واقعی با کوره های هوای آزاد هستند - اتمسفرهای کنترل شده یا پوشش های محافظ را در نظر بگیرید.

7. نتیجه گیری

• استرسهای باقیمانده مشترک هستند و می تواند عملکرد مادی را تحت تأثیر قرار دهد.
  آنها به طور گسترده ای بر اساس فرآیند و هندسه متفاوت هستند; مقادیر واقعی معمولاً هستند ده تا چند صد مگاپاسکال, با افراطی نزدیک شدن به عملکرد در موارد بسیار محدود.
• انتخاب روش باید مبتنی بر شواهد باشد: محل و عمق تنش را شناسایی کنید, معیارهای پذیرش را تعریف کنید, خلبان با نمونه های معرف, و به صورت عددی و اندازه گیری تایید کنید.
• تسکین حرارتی به طور کلی برای تنش های حجیم موثرترین باقی می ماند; روش های لایه برداری سطحی و لیزر برای سطوح بحرانی خستگی قوی هستند;
  VSR می تواند مفید باشد اما برای هر برنامه به اعتبار سنجی نیاز دارد. HIP در مواردی که نقص های داخلی و استرس داخلی همزمان هستند، به طور منحصر به فردی قدرتمند است.

متداول

کامل ترین روش کاهش استرس پسماند چیست؟?

بازپخت تسکین استرس کامل ترین روش است, حذف 70 تا 90 درصد تنش پسماند, ایده آل برای اجزای حجیم مانند ریخته گری و جوش.

کدام روش برای اجزای دقیق برای جلوگیری از تغییر شکل مناسب است?

تسکین استرس ارتعاشی (VSR) یا پیری همدما ترجیح داده می شود, زیرا کمترین تغییر شکل را ایجاد می کنند (<0.005 میلی متر) در حالی که 50 تا 80 درصد استرس را از بین می برد.

آیا می توان استرس باقیمانده را به طور کامل از بین برد?

خیر - هدف تمرین مهندسی حذف 50 تا 95 درصد از استرس باقیمانده مضر است; حذف کامل غیر ضروری است و ممکن است استرس جدیدی را از طریق پردازش بیش از حد ایجاد کند.

آیا کاهش تنش پسماند برای اجزای جوشکاری الزامی است؟?

بله, برای اجزای مهم جوشکاری (خط لوله, رگهای فشار, قطعات هوافضا), کاهش تنش برای جلوگیری از شکست خستگی و ترک خوردگی ناشی از استرس الزامی است.

چگونه می توان اثر کاهش استرس پسماند را تأیید کرد?

از روش های استاندارد استفاده کنید: پراش اشعه ایکس (تنش سطحی) یا سوراخ کاری (تنش زیرسطحی) برای اندازه گیری استرس پسماند قبل و بعد از تسکین, با نرخ کاهش ≥50٪ که نشان دهنده امداد واجد شرایط است.