Materiaalien käsittelyssä ja valmistuksessa jäännösjännitys on yleinen ilmiö, jolla on merkittävä vaikutus materiaalien suorituskykyyn ja käyttöikään. Jäännösjännityksen syiden, tilanjakauman ominaisuuksien ja vaikutuksen materiaaliominaisuuksiin ymmärtäminen, tuotteiden laadun parantaminen, turvallisuusonnettomuuksien ehkäisy on erittäin tärkeää.
I. Jäännösstressin syyt
Jäännösjännitys tarkoittaa materiaalin käsittelyn loppua, työkappale säilyttää edelleen sisäisen jännityksen. Tämä stressi johtuu pääasiassa seuraavista seikoista:
1. Epätasainen plastinen muodonmuutos
Kun työkappaleeseen kohdistuu monimutkaisia kuormituksia (kuten kylmävalssaus, veto, suulakepuristus ja pintapuhallus, valssaus jne.) poikkileikkaukseen kohdistuvan epätasaisen voiman vuoksi suuren voiman paikka voi aiheuttaa plastisen muodonmuutoksen, kun taas pienen voiman paikka voi silti olla elastinen muodonmuutos. Kuormittamattomana nämä epätasaiset plastiset muodonmuutokset voivat johtaa jäännösjännityksiin työkappaleen sisällä. Erityisesti venytettyihin alueisiin kohdistuu puristusjännitys purkamisen jälkeen, kun taas vierekkäisiin alueisiin kohdistuu vetojännitys. Tämä epätasaisesta plastisesta muodonmuutoksesta johtuva jäännösjännitys on yleinen jännitysmuoto koneistusprosesseissa.
2. Epähomogeenisen lämpötilakentän lämpövaikutukset
Lämpökäsittelyssä lämmitys- ja jäähdytysprosessit ovat yleensä hyvin monimutkaisia, sisältäen nopean lämmityksen ja jäähdytyksen sekä paikallisen lämmityksen ja jäähdytyksen. Koska lämpöä voidaan siirtää vain pinnan läpi, työkappaleen lämpölaajenemisessa on eroja kuumentamisen ja jäähdytyksen aikana tapahtuvan lämpötilan epähomogeenisuuden vuoksi, mikä puolestaan synnyttää ohimeneviä lämpöjännitystä. Kun näiden ohimenevien lämpöjännitysten arvo ylittää materiaalin korkean lämpötilan myötörajan, tapahtuu tietyillä alueilla plastista muodonmuutosta. Kuumennusprosessin päätyttyä, vaikka työkappale on jäähtynyt huoneenlämpötilaan, työkappaleeseen syntyy jäännösjännityksiä kuumennusprosessin aikana tapahtuvien epätasaisten plastisten muodonmuutosten vuoksi. Tällaiset epätasaisista lämpötilakentistä johtuvat jäännösjännitykset ovat erityisen yleisiä lämpökäsittelyprosesseissa.
3. Vaiheen siirtymäefektit
Materiaalin käsittelyn aikana muutokset metallurgisessa organisaatiossa (esim. austeniitin muuttuminen martensiitiksi karkaisun aikana) johtavat muutoksiin materiaalin sisäisessä ominaistilavuudessa, mikä puolestaan synnyttää faasimuutosjännitysten. Tämä vaiheenmuutosjännitys jää myös työstön jälkeen työkappaleen sisälle muodostaen jäännösjännitystä.
Toiseksi jäännösjännityksen ominaisuuksien tilajakauma
Jäännösjännityksen tilajakauma riippuu sen syystä ja käsittelyn erityisolosuhteista. Yleisesti ottaen jäännösjännitys voidaan jakaa kolmeen luokkaan: makrojäännösjännitys, mikrojäännösjännitys ja ultra-mikrojäännösjännitys.
1. Makrojäännösjännitys
Makroskooppinen jäännösjännitys on työkappaleessa kokonaisuudessaan tai jäännösjännityksen makroalueella tasapainon saavuttamiseksi. Tämän jännityksen jakautuminen on yleensä tasaisempaa, työkappaleen kokonaissuorituskyky on suurempi vaikutus. Prosessissa epätasaisen plastisen muodonmuutoksen tai lämpövaikutuksen epätasaisen lämpötilakentän vuoksi työkappale tuottaa makroveto- tai puristusjäännösjännityksen.
2. Mikrojäännösjännitys
Mikroskooppiset jäännösjännitykset ovat jäännösjännityksiä, jotka saavuttavat tasapainon muutaman rakeen sisällä työkappaleen sisällä. Tämän jännityksen jakautuminen on yleensä monimutkaisempi, ja rakeiden muoto, koko ja suunta sekä muut tekijät ovat monimutkaisempia. Muovisen muodonmuutoksen aikana syntyy mikroskooppisia veto- tai puristusjäännösjännityksiä raevuorovaikutuksista ja raerajojen läsnäolosta. Näillä jännityksillä on tärkeä vaikutus materiaalin paikallisiin ominaisuuksiin, kuten väsymislujuuteen ja halkeaman laajenemisnopeuteen.
3. Ultra-mikroskooppinen jäännösjännitys
Ultra-mikroskooppinen jäännösjännitys on suuri määrä atomipintoja työkappaleessa, atomipylväitä lähellä jäännösjännityksen tasapainoa. Tämän jännityksen jakautuminen on monimutkaisempaa, ja se liittyy materiaalin mikrorakenteeseen ja vioihin ja muihin tekijöihin. Vaihemuunnosten aikana syntyy ultramikroskooppisia veto- tai puristusjäännösjännityksiä hilan vääristymien ja vikojen vuoksi. Nämä jännitykset vaikuttavat materiaalin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin.
Jäännösjännitysten alueelliset jakautumisominaisuudet eivät riipu ainoastaan niiden syistä, vaan liittyvät myös läheisesti prosessin erityisolosuhteisiin. Esimerkiksi hitsausprosessin aikana hitsisauma ja sen lähialueet lämpenevät ja jäähtyvät nopeasti, mikä johtaa monimutkaiseen jäännösjännityksen jakautumiseen näillä alueilla. Näiden jännitysjakaumien epähomogeenisuus voi vaikuttaa merkittävästi hitsin lujuuteen ja sitkeyteen.
Kolmanneksi jäännösjännityksen vaikutus materiaalin ominaisuuksiin
Jäännösjännitys vaikuttaa merkittävästi materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin. Mitä tulee myötörajaan, kun materiaalissa on jäännösvetolujuus, se vähentää materiaalin myötörajaa, jolloin materiaali on alttiimpi plastisille muodonmuutoksille. Sitä vastoin jäännöspuristusjännitykset lisäävät materiaalin myötörajaa jossain määrin. Vetolujuuden osalta jäännösjännityksen läsnäolo muuttaa materiaalin jännitysjakaumaa vetoprosessissa, mikä vaikuttaa sen vetolujuuteen. Lisäksi jäännösjännitys vaikuttaa myös materiaalin plastisuuteen, sitkeyteen ja kovuuteen sekä muihin indikaattoreihin. Esimerkiksi jäännösvetolujuus lisää materiaalin venymää, kun taas jäännöspuristusjännitys vähentää materiaalin venymää. Kovuuden suhteen jäännösvetolujuus vähentää kovuuden mittaamista, kun taas jäännöspuristusjännitys lisää kovuuden mittausta.
Jäännösjännityksen vaikutus materiaalin väsymisikään on vielä kriittisempi. Vaihtelevan kuormituksen vaikutuksesta jäännösvetolujuus on päällekkäin kohdistetun kuorman kanssa, mikä nopeuttaa halkeamien syntymistä ja laajenemista, mikä vähentää merkittävästi materiaalin väsymisikää. Siksi mekaanisten osien suunnittelussa ja valmistuksessa jäännösjännityksen vaikutus on otettava täysin huomioon, jotta vältetään liiallisen jäännösjännityksen aiheuttama väsymisvika.
2. Vaikutus fysikaalisiin ominaisuuksiin
Jäännösjännitys vaikuttaa myös materiaalin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi lämpölaajenemiskertoimen suhteen jäännösjännitys muuttaa materiaalin sisäistä hilarakennetta, mikä puolestaan vaikuttaa sen lämpölaajenemisominaisuuksiin. Kun materiaalissa on jäännösjännitystä, lämpölaajenemiskerroin voi muuttua, mikä joissakin lämpötilaherkissä sovelluksissa (esim. ilmailun lämmönsäätöjärjestelmät) voi johtaa ongelmiin komponenttien sovituksessa. Lisäksi jäännösjännitys vaikuttaa materiaalin lämmön- ja sähkönjohtavuuteen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että jäännösjännitykset voivat vääristää atomien järjestelyä materiaalissa, mikä lisää fononien ja elektronien sironnan todennäköisyyttä, mikä vähentää materiaalin lämmön- ja sähkönjohtavuutta. Elektronisissa laitteissa, joissa lämmönpoisto ja sähkönjohtavuus ovat kriittisiä, tämä jäännösjännityksen vaikutus voi johtaa lämpöhyötysuhteen laskuun ja laitteen resistanssin kasvuun, mikä puolestaan vaikuttaa laitteen suorituskykyyn ja vakauteen.
