Zbytková napětí

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
(přesměrováno z Vnitřní pnutí)
Jump to navigation Jump to search

Zbytková napětí jsou napětí, která se vyskytují v materiálu bez působení vnějších sil. Zbytková napětí[1] jsou jedním z parametrů celkového stavu materiálu. Vznikají v důsledku technologických postupů výroby materiálu a mají vliv na jeho pevnostní, únavové nebo korozní charakteristiky. Obecně se uvažuje[kdo?], že tlaková zbytková napětí jsou výhodná a tahová zbytková napětí jsou nevýhodná - např. podporují vznik a rozvoj trhlin. Při vysokých hodnotách zbytkových napětí může docházet k nežádoucím deformacím vlivem jejich uvolňování a degradacím mechanických vlastností jak v případě tahových tak i tlakových napětí.

Vznik zbytkových napětí[editovat | editovat zdroj]

Vznik zbytkových napětí je v základním přiblížení spojen s výskytem plastické deformace: Zbytková napětí jsou rovna rozdílu mezi skutečnými napětími v pružně plastickém tělese a fiktivními napětími, které by v něm vznikly za předpokladu ideálně pružného materiálu. Z obecného hlediska však nemusí být zbytkové napětí nutně spojeno s plastickou deformací. Příčiny jejich vzniku lze rozdělit do několika skupin:

  • Mechanické - nehomogenní plastická deformace při mechanickém zpracování materiálu.
  • Tepelné - tepelná plastické deformace v důsledku nehomogenního teplotního pole.
  • Chemické a strukturní - změny objemu materiálu v důsledku chemických reakcí, fázových přeměn a rozdílných fyzikálních vlastností jednotlivých fází.
  • Vícevrstvé struktury - rozdílné fyzikální vlastnosti jednotlivých vrstev.
  • Nové technologie - nerovnovážné podmínky procesu ve speciálních technologiích vytváření a modifikace materiálů.
  • Konstrukční celky - nepřesnosti jednotlivých součástí spojených v konstrukčních celcích.

Ve většině případů působí více vlivů, které ovlivňují výsledná zbytková napětí v materiálu a jedná se tedy o tzv. sdružený proces. Za určitých okolností se mohou také uvolňovat nebo přerozdělovat. K takovým procesům může docházet např. při mechanickém namáhání, snížením meze kluzu příp. strukturními změnami při ohřevu, výskytem mikrotrhlin, vlivem stárnutí nebo vlivem tečení materiálu (creep). Přerozdělení zbytkových napětí může vyvolat i vnější zatížení materiálu, především v případech, kdy se jedná o zatížení cyklické.

Rozdělení zbytkových napětí[editovat | editovat zdroj]

Grafické znázornění rozdělení zbytkových napětí.

Průměrná hodnota zbytkových napětí na celém systému je nulová. Podle lokální prostorové změny lze zbytková napětí rozdělit na makroskopická (I. druhu), mikroskopická (II. druhu) a submikroskopická (III. druhu).

Makroskopická zbytková napětí jsou homogenní na oblastech řádově větších než je velikost zrna. Tato napětí se pojí s vnějším zatížením tělesa a ovlivňují jeho pevnostní vlastnosti. Jejich změna nebo uvolnění je spojena s makroskopickými změnami tvaru součásti. Matematicky lze makroskopická zbytková napětí vyjádřit jako průměrnou hodnotu napětí na dané oblasti.

Mikroskopická zbytková představují průměrnou odchylku od makroskopického napětí v daném místě. Vyrovnávají se v oblastech řádově o velikosti zrn a jsou svázána s anizotropií jednotlivých zrn, orientací krystalografických rovin, výskytem různých fází apod. Submikroskopická zbytková napětí jsou definovány jako místní odchylka od průměrného mikroskopického napětí. Jsou nehomogenní v oblastech řádově o velikosti několika atomárních vzdáleností a vznikají např. v souvislosti s krystalografickými defekty.

Maximální velikost zbytkových napětí je dána tzv. mezní hodnotou zbytkových napětí. Mezní hodnotě v případě obecné trojosé napjatosti odpovídá mez kluzu (plastické materiály) resp. mez pevnosti (křehké materiály) materiálu. V případě trojosé napjatosti, kdy σ_x = σ_y = σ_z, mezní hodnotu zbytkových napětí nelimituje mez kluzu, ale mez pevnosti materiálu.

Zjišťování zbytkových napětí[editovat | editovat zdroj]

Zbytková napětí se zjišťují především pomocí experimentálních metod, které umožňují jejich přímé nebo nepřímé měření. Základní rozdělení metod pro měření zbytkových napětí je na destruktivní a nedestruktivní. Princip destruktivního měření spočívá v uvolnění původních zbytkových napětí porušením materiálu a vyhodnocení odezvy, většinou deformací. Princip nedestruktivních technik je v nalezení vztahů mezi fyzikálními nebo krystalografickými vlastnostmi materiálu a zbytkovým napětím.

Podle principu měření napětí resp. deformací pak lze metody rozdělit na mechanické, difrakční a metody využívající fyzikálních vlastností materiálu.

  • Mechanické metody jsou založeny na měření změny napětí při uvolnění stávajících zbytkových napětí nebo při vnášení zbytkových napětí v průběhu daného technologického procesu. Používají se průhybové metody, odvrtávací metoda[2], metody dělení a indentační metody.
  • Difrakční metody se využívají pro měření zbytkového napětí u krystalických materiálů, které využívají specifických vlastností rozptylu záření na krystalové mřížce. Používá se rentgenové záření, synchrotronové záření, neutronové záření a elektronový svazek.
  • Metody využívající fyzikálních vlastností materiálů jsou založené na změně některých specifických vlastností materiálu v závislosti na napětí, kterému je vystaven. Používají se elektromagnetické, ultrazvukové, piezospektroskopické, termomechanické nebo fotoelastické techniky.

Jednotlivé měřicí techniky lze vzájemně kombinovat. Nejčastěji používané z uvedených metod jsou odvrtávací metoda[2], difrakční metody a průhybové metody.

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Zbytková napětí, Západočeská univerzita v Plzni, Nové technologie - Výzkumné centrum, odbor Termomechanika technologických procesů
  2. a b Měření zbytkových napětí odvrtávací metodou, Západočeská univerzita v Plzni, Nové technologie - Výzkumné centrum, odbor Termomechanika technologických procesů