Dalam proses pemprosesan dan pembuatan bahan, tekanan sisa adalah fenomena biasa, yang mempunyai kesan penting terhadap prestasi dan hayat perkhidmatan bahan. Memahami punca tekanan sisa, ciri pengedaran spatial dan kesannya terhadap sifat bahan, untuk meningkatkan kualiti produk, pencegahan kemalangan keselamatan adalah sangat penting.
I. Punca tekanan sisa
Tekanan sisa merujuk kepada akhir pemprosesan bahan, bahan kerja masih mengekalkan tegasan dalaman. Tekanan ini timbul terutamanya daripada aspek berikut:
1. Ubah bentuk plastik tidak sekata
Apabila bahan kerja tertakluk kepada beban kompleks (seperti guling sejuk, lukisan, penyemperitan dan penembusan pukulan permukaan, guling, dsb.), disebabkan oleh daya tidak sekata pada keratan-, tempat daya besar mungkin menghasilkan ubah bentuk plastik, manakala tempat daya kecil mungkin masih ubah bentuk anjal. Apabila dipunggah, ubah bentuk plastik yang tidak sekata ini boleh membawa kepada tegasan baki dalam bahan kerja. Khususnya, kawasan regangan tertakluk kepada tegasan mampatan selepas memunggah, manakala kawasan bersebelahan tertakluk kepada tegasan tegangan. Tegasan baki akibat ubah bentuk plastik yang tidak sekata ini merupakan satu bentuk tegasan biasa dalam proses pemesinan.
2. Kesan terma medan suhu tidak homogen
Dalam pemprosesan haba, proses pemanasan dan penyejukan biasanya sangat kompleks, melibatkan pemanasan dan penyejukan pantas serta pemanasan dan penyejukan setempat. Oleh kerana haba hanya boleh dipindahkan melalui permukaan, bahan kerja akan mempunyai perbezaan dalam pengembangan haba disebabkan oleh ketidakhomogenan suhu semasa pemanasan dan penyejukan, yang seterusnya menjana tegasan terma sementara. Apabila nilai tegasan terma sementara ini melebihi had hasil suhu tinggi bahan, ubah bentuk plastik berlaku di kawasan tertentu. Apabila proses pemanasan selesai, walaupun bahan kerja telah disejukkan ke suhu bilik, tegasan sisa dijana dalam bahan kerja disebabkan oleh ubah bentuk plastik yang tidak sekata semasa proses pemanasan. Tegasan baki sedemikian disebabkan oleh medan suhu yang tidak sekata adalah perkara biasa dalam proses rawatan haba.
3. Kesan peralihan fasa
Semasa pemprosesan bahan, perubahan dalam organisasi metalurgi (contohnya perubahan austenit kepada martensit semasa pelindapkejutan) membawa kepada perubahan dalam isipadu khusus dalaman bahan, yang seterusnya menjana tegasan peralihan fasa. Tegasan peralihan fasa ini juga akan kekal di dalam bahan kerja selepas diproses, membentuk tegasan sisa.
Kedua, taburan spatial ciri tegasan sisa
Taburan spatial bagi tegasan sisa bergantung kepada puncanya dan keadaan khusus pemprosesan. Secara umumnya, tegasan baki boleh dibahagikan kepada tiga kategori: tegasan baki makro, tegasan baki mikro dan tegasan baki ultra-mikro.
1. Tegasan baki makro
Tegasan baki makroskopik berada dalam bahan kerja secara keseluruhan atau julat makro tegasan baki untuk mencapai keseimbangan. Pengagihan tegasan ini biasanya lebih seragam, prestasi keseluruhan bahan kerja mempunyai kesan yang lebih besar. Dalam proses itu, disebabkan ubah bentuk plastik tidak sekata atau medan suhu tidak sekata kesan haba, bahan kerja akan menghasilkan tegangan sisa tegangan atau mampatan makro.
2. Tegasan baki mikro
Tegasan sisa mikroskopik ialah tegasan sisa yang mencapai keseimbangan dalam beberapa butir dalam bahan kerja. Pengagihan tegasan ini biasanya lebih kompleks, dan bentuk, saiz dan orientasi bijirin dan faktor lain. Semasa ubah bentuk plastik, tegangan sisa tegangan atau mampatan mikroskopik dijana disebabkan oleh interaksi butiran dan kehadiran sempadan butiran. Tegasan ini mempunyai pengaruh penting ke atas sifat tempatan bahan, seperti kekuatan lesu dan kadar lanjutan retak.
3. Tegasan baki ultra-mikroskopik
Tegasan baki ultra-mikroskopik ialah sejumlah besar permukaan atom dalam bahan kerja, lajur atom berhampiran keseimbangan tegasan baki. Pengagihan tegasan ini lebih kompleks, dan berkaitan dengan struktur mikro bahan dan kecacatan dan faktor lain. Semasa penjelmaan fasa, tegangan sisa ultramikroskopik atau mampatan dijana disebabkan oleh herotan dan kecacatan kekisi. Tegasan ini mempunyai pengaruh ke atas sifat fizikal dan kimia bahan.
Ciri-ciri taburan spatial bagi tegasan sisa bukan sahaja bergantung kepada puncanya, tetapi juga berkait rapat dengan keadaan khusus proses. Sebagai contoh, semasa proses kimpalan, jahitan kimpalan dan kawasan jirannya mengalami pemanasan dan penyejukan yang cepat, mengakibatkan pengedaran tegasan sisa yang kompleks di kawasan ini. Ketakhomogenan taburan tegasan ini boleh memberi kesan penting ke atas kekuatan dan keliatan kimpalan.
Ketiga, kesan tegasan sisa ke atas sifat bahan
Tegasan sisa mempunyai kesan yang ketara ke atas sifat mekanikal bahan. Dari segi kekuatan alah, apabila terdapat tegasan tegangan sisa dalam bahan, ia akan mengurangkan kekuatan hasil bahan, menjadikan bahan lebih terdedah kepada ubah bentuk plastik. Sebaliknya, tegasan mampatan sisa meningkatkan kekuatan hasil bahan sedikit sebanyak. Bagi kekuatan tegangan, kehadiran tegasan sisa akan mengubah taburan tegasan bahan dalam proses tegangan, sekali gus menjejaskan kekuatan tegangannya. Di samping itu, tegasan baki juga akan memberi kesan kepada keplastikan, keliatan dan kekerasan bahan dan penunjuk lain. Sebagai contoh, tegasan tegangan sisa meningkatkan pemanjangan bahan, manakala tegasan mampatan sisa mengurangkan pemanjangan bahan. Dari segi kekerasan, tegasan tegangan sisa mengurangkan ukuran kekerasan, manakala tegasan mampatan sisa meningkatkan ukuran kekerasan.
Kesan tegasan sisa ke atas hayat kelesuan bahan adalah lebih kritikal. Di bawah kesan beban berselang-seli, tegasan tegangan sisa akan ditindih dengan beban yang dikenakan, mempercepatkan kemunculan dan pengembangan retak, dengan ketara mengurangkan hayat keletihan bahan. Oleh itu, dalam reka bentuk dan pembuatan bahagian mekanikal, kesan tegasan sisa mesti dipertimbangkan sepenuhnya untuk mengelakkan kegagalan keletihan yang disebabkan oleh tegasan sisa yang berlebihan.
2. Kesan kepada sifat fizikal
Tekanan sisa juga akan memberi kesan kepada sifat fizikal bahan. Sebagai contoh, dari segi pekali pengembangan haba, tegasan sisa akan mengubah struktur kekisi dalaman bahan, yang seterusnya mempengaruhi ciri pengembangan habanya. Apabila tegasan baki hadir dalam bahan, pekali pengembangan terma mungkin berubah, yang dalam beberapa aplikasi sensitif suhu (cth, sistem kawalan terma dalam aeroangkasa) boleh membawa kepada masalah dengan kesesuaian komponen. Di samping itu, tegasan sisa mempunyai kesan ke atas kekonduksian haba dan elektrik bahan. Kajian telah menunjukkan bahawa tegasan baki boleh memesongkan susunan atom dalam bahan, meningkatkan kebarangkalian penyebaran fonon dan elektron, dengan itu mengurangkan kekonduksian haba dan elektrik bahan. Dalam peranti elektronik, di mana pelesapan haba dan kekonduksian elektrik adalah kritikal, kesan daripada tekanan sisa ini boleh menyebabkan penurunan kecekapan haba dan peningkatan rintangan peranti, yang seterusnya menjejaskan prestasi dan kestabilan peranti.