Определение остаточных напряжений

Определение остаточных напряжений:
от неизвестного к известному

После устранения внешней нагрузки или причин, которые ее вызвали, в металле могут возникнуть остаточные напряжения. Они появляются в результате неоднородного нагрева или охлаждения в процессе термической обработки, механической обработки (например, при сварке, ковке, штамповке), а также в результате фазовых превращений в материале. Обнаружить их помогает определение остаточных напряжений. 

Роль остаточных напряжений 
в эксплуатации деталей

Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства металлов может быть как положительным, так и отрицательным. К самым распространенным критериям оценки относятся:

• усталостная прочность. Остаточные напряжения могут снижать или повышать усталостную прочность металла. Компрессионные (сжимающие) часто способствуют ее увеличению, а растягивающие - уменьшению;
• стойкость при статических нагрузках. В зависимости от распределения остаточных напряжений они могут как повысить, так и снизить прочность материала;
• жёсткость и упругость. Остаточные напряжения могут изменять жёсткость металла, влияя на его упругие свойства;
• коррозионная стойкость. Растягивающие напряжения особенно опасны в коррозионных условиях, так как могут способствовать возникновению и развитию трещин с очагами ржавления;
• стабильность формы. Напряжение может вызвать деформацию изделий, что важно учитывать при точной механической обработке деталей.

Таким образом, методы определения остаточных напряжений и по возможности минимизация этих процессов или их использование с позитивной стороны - важная часть производства изделий. Она может намного повысить надежность и долговечность металлических конструкций.

Деструктивные методы 
определения остаточных напряжений

Услуги по определению остаточных напряжений могут опираться на две группы методов: деструктивные и недеструктивные. В процессе деструктивных образец материала подвергается изменениям, делающим его непригодным для дальнейшего использования. Эти методы обеспечивают точные измерения, но требуют разрушения или значительной модификации исследуемой детали. К ним относятся:

• отрезание. Предполагает постепенное удаление слоёв материала с образца и измерение изменений в его геометрических параметрах. Дает информацию о напряжениях, которые были в этих слоях;
• разделение. Образец, содержащий остаточные напряжения, разделяют или раскалывают на части. Метод можно использовать для изучения цилиндрических объектов, когда образец делят на две части и по изменению формы каждой определяют остаточные напряжения;
• сверление отверстий. Предполагает высверливание маленьких отверстий в материале и измерение деформаций вокруг них. Замеры указывают на остаточные напряжения. Этот метод требует специального оборудования для точности;
• метод вырезки. Производится удаление части детали для последующего изучения изменений в геометрии или в структуре материала. Способ позволяет наблюдать напряженно-деформированное состояние в разных частях образца.

Деструктивные методы часто используют в исследовательских целях или при важном качественном контроле, когда необходимо определить уровень остаточных напряжений в материале. Несмотря на точность, в промышленности их применяют не так часто из-за разрушительного воздействия на образцы.

Недеструктивное определение
остаточных напряжений 

Определение остаточных напряжений может и не иметь разрушительного характера. Недеструктивные методы позволяют оценивать внутреннее состояние материала, не повреждая его структуру. К вариантам “мягкого” контроля относятся:

• рентгеновский дифракционный анализ. Один из самых точных методов измерения остаточных напряжений. Основан на анализе изменений в дифракционной картине, возникающей при взаимодействии рентгеновских лучей с кристаллической структурой материала. Изменения пиков дифракции указывают на перемены в микроструктуре, связанные с напряжениями;
• ультразвуковая дефектоскопия. Использует принцип модификации скорости прохождения ультразвуковых волн в материале под воздействием остаточных напряжений. Учет различий в скорости позволяет делать выводы о распределении напряжений внутри образца;
• магнитные методы. В их основе зависимость магнитных свойств ферромагнитных материалов от напряженного состояния. Действие остаточных напряжений меняет магнитную проницаемость металла, что и используется для их определения;
• электромагнитные методы определения остаточных напряжений анализируют изменения в электромагнитных свойствах материала, вызванные остаточными напряжениями. Особенно эффективны для оценки напряженно-деформированного состояния и выявления микродефектов;
• оптические методы (в том числе  голографическая интерферометрия и поляризационно-оптический метод) основаны на анализе изменений в оптических свойствах или деформации материала под воздействием остаточных напряжений. Позволяют наблюдать микродеформации поверхности с высокой точностью.

К недеструктивным методам обращаются для контроля качества, для оперативной диагностики на стадии производства, а также для мониторинга состояния конструкций в процессе их эксплуатации. Их главное преимущество - в возможности повторного и многократного использования обследуемых изделий.

Для чего важно определить остаточные напряжения?

Услуги по определению остаточных напряжений важны не только для производства, но и для эксплуатации металлических изделий, так как эти “побочные эффекты” могут влиять на их пользовательские характеристики, долговечность и безопасность. 

Остаточные напряжения, особенно растягивающего типа, могут значительно снизить усталостную прочность металлических изделий, делая их более восприимчивыми к трещинообразованию при циклических нагрузках. Контроль и управление ими увеличивают срок службы изделий.

Растягивающие остаточные напряжения могут ускорять процесс коррозии, особенно в коррозионно-активных средах. На производстве важно преобразовать их в сжимающие, а следовательно, предотвратить или замедлить коррозионное разрушение.

Неуправляемые процессы могут вызвать непредвиденную деформацию изделий как на этапе производства, так и в процессе эксплуатации. Это может привести к отказу изделия или к необходимости его доработки. 

Если вовремя определить остаточные напряжения и проконтролировать их, можно избежать всех этих неприятностей. Забота о качестве продукции - инвестиции в репутацию вашей компании и довольные сотрудничеством клиенты. Участники проекта не просто выполнят для вас качественный анализ металла, а дадут советы по улучшению надежности и долговечности любых изделий из него. Обращайтесь!

Разновидность анализа			Стоимость, тыс. руб.
Магнитометрический метод			от 5
Рентгенографический метод			от 10
Ультразвуковой метод			от 7
Дифрактометрический метод			от 15
Метод сверления отверстий			от 3
Метод снятия стружки			от 4
Тензометрический метод			от 2