ในกระบวนการแปรรูปและการผลิตวัสดุ ความเค้นตกค้างเป็นปรากฏการณ์ทั่วไป ซึ่งมีผลกระทบสำคัญต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของวัสดุ การทำความเข้าใจสาเหตุของความเค้นตกค้าง คุณลักษณะการกระจายเชิงพื้นที่ และผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุ เพื่อปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ การป้องกันอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยมีความสำคัญอย่างยิ่ง
I. สาเหตุของความเครียดตกค้าง
ความเค้นตกค้างหมายถึงการสิ้นสุดการประมวลผลวัสดุ ชิ้นงานยังคงรักษาความเค้นภายในไว้ ความเครียดนี้ส่วนใหญ่เกิดจากประเด็นต่อไปนี้:
1. การเสียรูปพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอ
เมื่อชิ้นงานต้องรับภาระที่ซับซ้อน (เช่น การรีดเย็น การดึง การอัดขึ้นรูป และการขัดผิวด้วยการฉีด การรีด ฯลฯ) เนื่องจากแรงที่ไม่สม่ำเสมอบนหน้าตัด- ตำแหน่งที่ใช้แรงมากอาจทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติก ในขณะที่บริเวณที่ใช้แรงน้อยอาจยังคงเป็นการเสียรูปแบบยืดหยุ่นได้ เมื่อขนถ่าย การเสียรูปพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอเหล่านี้อาจทำให้เกิดความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พื้นที่ที่ยืดออกจะได้รับความเค้นอัดหลังจากการขนถ่าย ในขณะที่พื้นที่ที่อยู่ติดกันจะได้รับความเค้นดึง ความเค้นตกค้างเนื่องจากการเสียรูปพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอ เป็นรูปแบบหนึ่งของความเค้นทั่วไปในกระบวนการตัดเฉือน
2. ผลกระทบทางความร้อนของสนามอุณหภูมิที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
ในการประมวลผลทางความร้อน กระบวนการทำความร้อนและความเย็นมักจะซับซ้อนมาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว รวมถึงการทำความร้อนและความเย็นเฉพาะที่ เนื่องจากความร้อนสามารถถ่ายเทผ่านพื้นผิวได้เท่านั้น ชิ้นงานจึงมีความแตกต่างในการขยายตัวทางความร้อนเนื่องจากอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอระหว่างการให้ความร้อนและความเย็น ซึ่งส่งผลให้เกิดความเครียดจากความร้อนชั่วคราว เมื่อค่าของความเค้นจากความร้อนชั่วคราวเหล่านี้เกินขีดจำกัดผลผลิตที่อุณหภูมิสูงของวัสดุ การเสียรูปแบบพลาสติกจะเกิดขึ้นในบางพื้นที่ เมื่อกระบวนการทำความร้อนสิ้นสุดลง แม้ว่าชิ้นงานจะเย็นลงถึงอุณหภูมิห้องแล้ว แต่ความเค้นตกค้างจะถูกสร้างขึ้นภายในชิ้นงานเนื่องจากการเสียรูปพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างกระบวนการทำความร้อน ความเค้นตกค้างดังกล่าวเนื่องจากสนามอุณหภูมิไม่เท่ากันมักพบได้ทั่วไปในกระบวนการบำบัดความร้อน
3. เอฟเฟกต์การเปลี่ยนเฟส
ในระหว่างการประมวลผลวัสดุ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางโลหะวิทยา (เช่น การเปลี่ยนรูปออสเทนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ในระหว่างการดับ) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรเฉพาะภายในของวัสดุ ซึ่งในทางกลับกันจะทำให้เกิดความเค้นในการเปลี่ยนเฟส ความเค้นการเปลี่ยนเฟสนี้จะยังคงอยู่ในชิ้นงานหลังการประมวลผล ซึ่งทำให้เกิดความเค้นตกค้าง
ประการที่สอง การกระจายเชิงพื้นที่ของลักษณะความเค้นตกค้าง
การกระจายตัวของความเค้นตกค้างเชิงพื้นที่ขึ้นอยู่กับสาเหตุและเงื่อนไขเฉพาะของการประมวลผล โดยทั่วไปแล้ว ความเค้นตกค้างสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: ความเค้นตกค้างระดับมหภาค ความเค้นตกค้างระดับไมโคร และความเครียดตกค้างระดับไมโคร-พิเศษ
1. ความเค้นตกค้างมาโคร
ความเค้นตกค้างขนาดมหึมาจะอยู่ในชิ้นงานโดยรวมหรือในช่วงมหภาคของความเค้นตกค้างเพื่อให้เกิดความสมดุล การกระจายตัวของความเค้นนี้มักจะมีความสม่ำเสมอมากกว่า ประสิทธิภาพโดยรวมของชิ้นงานจะมีผลกระทบมากกว่า ในกระบวนการนี้ เนื่องจากการเสียรูปของพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอหรือสนามอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอของผลกระทบจากความร้อน ชิ้นงานจะทำให้เกิดแรงดึงมหภาคหรือความเค้นตกค้างจากแรงอัด
2. ความเค้นตกค้างระดับไมโคร
ความเค้นตกค้างด้วยกล้องจุลทรรศน์คือความเค้นตกค้างที่เข้าสู่สมดุลภายในเกรนไม่กี่เกรนภายในชิ้นงาน การกระจายตัวของความเครียดนี้มักจะซับซ้อนกว่า รูปร่าง ขนาด และการวางแนวของเมล็ดข้าวและปัจจัยอื่นๆ ในระหว่างการเปลี่ยนรูปพลาสติก แรงดึงระดับจุลภาคหรือความเค้นตกค้างจากแรงอัดจะเกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างเกรนและการปรากฏของขอบเขตเกรน ความเค้นเหล่านี้มีอิทธิพลสำคัญต่อคุณสมบัติเฉพาะที่ของวัสดุ เช่น ความแข็งแรงของความล้าและอัตราการขยายของรอยแตกร้าว
3. ความเค้นตกค้างที่ละเอียดมาก-ด้วยกล้องจุลทรรศน์
ความเค้นตกค้างด้วยกล้องจุลทรรศน์พิเศษ-คือพื้นผิวอะตอมจำนวนมากในชิ้นงาน ซึ่งเป็นคอลัมน์อะตอมที่อยู่ใกล้กับสมดุลของความเค้นตกค้าง การกระจายตัวของความเค้นนี้มีความซับซ้อนมากขึ้นและเกี่ยวข้องกับโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ ข้อบกพร่อง และปัจจัยอื่นๆ ในระหว่างการเปลี่ยนเฟส แรงดึงอัลตราไมโครสโคปิกหรือความเค้นตกค้างจากแรงอัดจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการบิดเบี้ยวและข้อบกพร่องของโครงตาข่าย ความเค้นเหล่านี้มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของวัสดุ
ลักษณะการกระจายเชิงพื้นที่ของความเค้นตกค้างไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับสาเหตุเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับเงื่อนไขเฉพาะของกระบวนการอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างกระบวนการเชื่อม ตะเข็บเชื่อมและพื้นที่ใกล้เคียงได้รับความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการกระจายตัวของความเค้นตกค้างที่ซับซ้อนในพื้นที่เหล่านี้ ความไม่สอดคล้องกันของการกระจายความเค้นเหล่านี้อาจส่งผลสำคัญต่อความแข็งแรงและความเหนียวของการเชื่อม
ประการที่สาม ผลกระทบของความเค้นตกค้างต่อคุณสมบัติของวัสดุ
ความเค้นตกค้างมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของวัสดุ ในแง่ของความแข็งแรงของผลผลิต เมื่อมีแรงดึงตกค้างภายในวัสดุ มันจะลดความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ ทำให้วัสดุมีแนวโน้มที่จะเกิดการเสียรูปพลาสติกได้ง่ายขึ้น ในทางกลับกัน ความเค้นอัดที่เหลือจะเพิ่มความแข็งแรงครากของวัสดุในระดับหนึ่ง สำหรับความต้านทานแรงดึง การมีอยู่ของความเค้นตกค้างจะเปลี่ยนการกระจายความเค้นของวัสดุในกระบวนการดึง ซึ่งส่งผลต่อความต้านทานแรงดึง นอกจากนี้ ความเค้นตกค้างจะส่งผลต่อความเป็นพลาสติก ความเหนียว และความแข็งของวัสดุและตัวชี้วัดอื่นๆ ด้วย ตัวอย่างเช่น ความเค้นดึงที่เหลือจะเพิ่มการยืดตัวของวัสดุ ในขณะที่ความเค้นอัดที่เหลือจะทำให้การยืดตัวของวัสดุลดลง ในแง่ของความแข็ง ความเค้นดึงที่เหลือจะลดการวัดความแข็ง ในขณะที่ความเค้นอัดที่เหลือจะเพิ่มการวัดความแข็ง
ผลกระทบของความเค้นตกค้างต่ออายุความล้าของวัสดุมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น ภายใต้ผลกระทบของโหลดแบบสลับ ความเค้นดึงที่เหลือจะถูกซ้อนทับกับโหลดที่ใช้ จะช่วยเร่งการเกิดและการขยายตัวของรอยแตกร้าว ซึ่งช่วยลดอายุการใช้งานความล้าของวัสดุได้อย่างมาก ดังนั้นในการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกล จะต้องพิจารณาถึงผลกระทบของความเค้นตกค้างอย่างเต็มที่ เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากความเมื่อยล้าที่เกิดจากความเค้นตกค้างที่มากเกินไป
2. ผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกายภาพ
ความเค้นตกค้างจะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุด้วย ตัวอย่างเช่น ในแง่ของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน ความเค้นตกค้างจะเปลี่ยนโครงสร้างขัดแตะภายในของวัสดุ ซึ่งจะส่งผลต่อคุณลักษณะการขยายตัวเนื่องจากความร้อน เมื่อมีความเครียดตกค้างในวัสดุ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอาจเปลี่ยนแปลง ซึ่งในการใช้งานที่ไวต่ออุณหภูมิบางอย่าง (เช่น ระบบควบคุมความร้อนในการบินและอวกาศ) อาจทำให้เกิดปัญหากับความพอดีของส่วนประกอบได้ นอกจากนี้ ความเค้นตกค้างยังส่งผลต่อการนำความร้อนและไฟฟ้าของวัสดุอีกด้วย การศึกษาพบว่าความเค้นตกค้างสามารถบิดเบือนการจัดเรียงอะตอมภายในวัสดุ เพิ่มความเป็นไปได้ที่จะกระเจิงของโฟนันและอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยลดการนำความร้อนและไฟฟ้าของวัสดุ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งการกระจายความร้อนและการนำไฟฟ้ามีความสำคัญ ผลกระทบจากความเค้นตกค้างนี้อาจส่งผลให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนลดลงและเพิ่มความต้านทานของอุปกรณ์ ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของอุปกรณ์