في عملية معالجة المواد وتصنيعها، يعد الإجهاد المتبقي ظاهرة شائعة، ولها تأثير مهم على أداء المواد وعمر الخدمة. إن فهم أسباب الإجهاد المتبقي، وخصائص التوزيع المكاني وتأثيره على خصائص المواد، لتحسين جودة المنتج، والوقاية من حوادث السلامة له أهمية كبيرة.
I. أسباب الإجهاد المتبقي
يشير الإجهاد المتبقي إلى نهاية معالجة المواد، ولا تزال قطعة العمل تحتفظ بالضغط الداخلي. وينشأ هذا الضغط بشكل رئيسي من الجوانب التالية:
1. تشوه البلاستيك غير المتكافئ
عندما تتعرض قطعة العمل لأحمال معقدة (مثل الدرفلة على البارد، والرسم، والبثق، والتقطيع السطحي، والدحرجة، وما إلى ذلك)، بسبب القوة غير المتساوية على المقطع العرضي -، فإن مكان القوة الكبيرة قد ينتج تشوهًا بلاستيكيًا، في حين أن مكان القوة الصغيرة قد يظل تشوهًا مرنًا. عند التفريغ، يمكن أن تؤدي هذه التشوهات البلاستيكية غير المتساوية إلى ضغوط متبقية داخل قطعة العمل. على وجه التحديد، تتعرض المناطق الممتدة لضغوط الضغط بعد التفريغ، في حين تتعرض المناطق المجاورة لضغوط الشد. يعد هذا الإجهاد المتبقي الناتج عن التشوه البلاستيكي غير المتساوي شكلاً شائعًا من الإجهاد في عمليات التشغيل الآلي.
2. التأثيرات الحرارية للمجال الحراري غير المتجانس
في المعالجة الحرارية، عادة ما تكون عمليات التسخين والتبريد معقدة للغاية، وتتضمن التسخين والتبريد السريع بالإضافة إلى التسخين والتبريد الموضعي. نظرًا لأنه لا يمكن نقل الحرارة إلا من خلال السطح، سيكون لقطعة العمل اختلافات في التمدد الحراري بسبب عدم تجانس درجة الحرارة أثناء التسخين والتبريد، والذي بدوره يولد ضغوطًا حرارية عابرة. عندما تتجاوز قيمة هذه الضغوط الحرارية العابرة حد إنتاجية درجة الحرارة العالية للمادة، يحدث تشوه اللدن في مناطق معينة. عندما تنتهي عملية التسخين، على الرغم من أن قطعة العمل قد بردت إلى درجة حرارة الغرفة، إلا أن الضغوط المتبقية تتولد داخل قطعة العمل بسبب تشوه البلاستيك غير المتساوي أثناء عملية التسخين. تعتبر هذه الضغوط المتبقية الناتجة عن تفاوت درجات الحرارة شائعة بشكل خاص في عمليات المعالجة الحرارية.
3. تأثيرات المرحلة الانتقالية
أثناء معالجة المواد، تؤدي التغيرات في التنظيم المعدني (على سبيل المثال تحويل الأوستينيت إلى مارتنسيت أثناء التبريد) إلى تغيرات في الحجم الداخلي المحدد للمادة، والذي بدوره يولد ضغوط انتقال الطور. سيبقى أيضًا إجهاد انتقال الطور هذا داخل قطعة العمل بعد المعالجة، مما يشكل إجهادًا متبقيًا.
ثانيا، التوزيع المكاني لخصائص الإجهاد المتبقية
يعتمد التوزيع المكاني للضغط المتبقي على سببه والظروف المحددة للمعالجة. بشكل عام، يمكن تقسيم الإجهاد المتبقي إلى ثلاث فئات: الإجهاد المتبقي الكلي، والإجهاد المتبقي الجزئي والإجهاد المتبقي الصغير جدًا-.
1. الإجهاد الكلي المتبقي
يوجد الإجهاد المتبقي العياني في قطعة العمل ككل أو في النطاق الكلي للضغط المتبقي لتحقيق التوازن. عادةً ما يكون توزيع هذا الضغط أكثر اتساقًا، ويكون للأداء العام لقطعة العمل تأثير أكبر. في هذه العملية، بسبب التشوه البلاستيكي غير المتساوي أو مجال درجة الحرارة غير المتساوي للتأثير الحراري، سوف تنتج قطعة العمل إجهادًا شدًا كبيرًا أو ضغطًا متبقيًا.
2. الإجهاد المتبقي الجزئي
الضغوط المتبقية المجهرية هي الضغوط المتبقية التي تصل إلى التوازن داخل عدد قليل من الحبوب داخل قطعة العمل. وعادة ما يكون توزيع هذا الإجهاد أكثر تعقيدا، ويتأثر شكل الحبوب وحجمها واتجاهها وعوامل أخرى. أثناء التشوه اللدن، تتولد ضغوط الشد المجهرية أو الضغط المتبقية بسبب تفاعلات الحبوب ووجود حدود الحبوب. هذه الضغوط لها تأثير مهم على الخصائص المحلية للمادة، مثل قوة الكلال ومعدل تمدد الشقوق.
3. الإجهاد المتبقي المجهري الفائق-.
يمثل الإجهاد المتبقي المجهري الفائق -عددًا كبيرًا من الأسطح الذرية في قطعة العمل، والأعمدة الذرية القريبة من توازن الإجهاد المتبقي. أما توزيع هذا الإجهاد فهو أكثر تعقيدا، ويرتبط بالبنية المجهرية للمادة والعيوب وعوامل أخرى. أثناء تحولات الطور، يتم إنشاء ضغوط شد أو ضغط متناهية الصغر بسبب تشوهات وعيوب الشبكة. هذه الضغوط لها تأثير على الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة.
لا تعتمد خصائص التوزيع المكاني للضغوط المتبقية على أسبابها فحسب، بل ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالظروف المحددة للعملية. على سبيل المثال، أثناء عملية اللحام، تخضع وصلة اللحام والمناطق المجاورة لها للتسخين والتبريد السريع، مما يؤدي إلى توزيع معقد للضغوط المتبقية في هذه المناطق. يمكن أن يكون لعدم تجانس توزيعات الإجهاد هذه تأثير مهم على قوة ومتانة اللحام.
ثالثاً، تأثير الإجهادات المتبقية على خواص المواد
الإجهاد المتبقي له تأثير كبير على الخواص الميكانيكية للمواد. من حيث قوة الخضوع، عندما تكون هناك ضغوط شد متبقية داخل المادة، فإنها ستقلل من قوة الخضوع للمادة، مما يجعل المادة أكثر عرضة للتشوه البلاستيكي. وعلى العكس من ذلك، فإن ضغوط الضغط المتبقية تزيد من قوة خضوع المادة إلى حد ما. بالنسبة لقوة الشد، فإن وجود الإجهاد المتبقي سوف يغير توزيع الإجهاد للمادة في عملية الشد، وبالتالي يؤثر على قوة الشد. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإجهاد المتبقي سيكون له أيضًا تأثير على مرونة المواد وصلابتها ومؤشرات أخرى. على سبيل المثال، يزيد إجهاد الشد المتبقي من استطالة المادة، بينما يقلل إجهاد الضغط المتبقي من استطالة المادة. من حيث الصلابة، فإن إجهاد الشد المتبقي يقلل من قياس الصلابة، في حين أن إجهاد الضغط المتبقي يزيد من قياس الصلابة.
إن تأثير الإجهاد المتبقي على عمر الكلال للمادة هو أكثر أهمية. تحت تأثير الحمل المتناوب، سيتم فرض إجهاد الشد المتبقي مع الحمل المطبق، مما يسرع ظهور واتساع الشقوق، مما يقلل بشكل كبير من عمر الكلال للمادة. ولذلك، في تصميم وتصنيع الأجزاء الميكانيكية، يجب أن يؤخذ تأثير الإجهاد المتبقي في الاعتبار بشكل كامل لتجنب فشل الكلال الناجم عن الإجهاد المتبقي المفرط.
2. التأثير على الخصائص الفيزيائية
سيكون للإجهاد المتبقي أيضًا تأثير على الخواص الفيزيائية للمادة. على سبيل المثال، من حيث معامل التمدد الحراري، فإن الإجهاد المتبقي سيغير بنية الشبكة الداخلية للمادة، مما يؤثر بدوره على خصائص التمدد الحراري. عند وجود ضغوط متبقية في مادة ما، قد يتغير معامل التمدد الحراري، والذي في بعض التطبيقات الحساسة لدرجة الحرارة (على سبيل المثال، أنظمة التحكم الحراري في الفضاء الجوي) يمكن أن يؤدي إلى مشاكل في ملاءمة المكونات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الإجهاد المتبقي له تأثير على التوصيل الحراري والكهربائي للمادة. أظهرت الدراسات أن الضغوط المتبقية يمكن أن تشوه الترتيب الذري داخل المادة، مما يزيد من احتمالية تشتت الفونونات والإلكترونات، وبالتالي تقليل التوصيل الحراري والكهربائي للمادة. في الأجهزة الإلكترونية، حيث يكون تبديد الحرارة والتوصيل الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية، فإن هذا التأثير الناتج عن الإجهاد المتبقي قد يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الحرارية وزيادة مقاومة الجهاز، مما يؤثر بدوره على أداء واستقرار الجهاز.