Wie überlagern sich Last- und Eigenspannungen?

Oszacowanie wpływu naprężeń szczątkowych na etapie projektowania nie zawsze jest łatwe. Powszechnie wiadomo, że naprężenia szczątkowe mogą mieć znaczący wpływ na żywotność komponentów. Z tego powodu procesy takie jak głębokie walcowanie, młotkowanie powierzchniowe lub śrutowanie są stosowane wielokrotnie. Generują one niezbędne szczątkowe naprężenia ściskające w strefie krawędziowej i dlatego są w dużej mierze odpowiedzialne za wydłużenie żywotności dynamicznie obciążonego elementu. Jednak działom projektowym nadal trudno jest uwzględnić to w swoich obliczeniach. Poniżej wyjaśnimy, w jaki sposób można dokonać wstępnego oszacowania i jak naprężenia szczątkowe faktycznie wpływają na wytrzymałość dynamiczną.

Naprężenia szczątkowe to naprężenia wewnętrzne w konstrukcji

Po pierwsze, musimy zrozumieć, czym właściwie są naprężenia szczątkowe. Naprężenia szczątkowe to naprężenia w strukturze komponentu, które występują nawet wtedy, gdy na komponent nie działają żadne siły zewnętrzne, momenty ani gradienty temperatury, tj. komponent jest całkowicie odciążony w przestrzeni. Mogą one wystąpić w dowolnym miejscu łańcucha produkcyjnego i są wynikiem obciążeń mechanicznych i termicznych podczas poszczególnych etapów produkcji. Na przykład, tak zwane szczątkowe naprężenia odlewnicze mogą wystąpić podczas odlewania, ponieważ element stygnie w różnym tempie w różnych obszarach. Mogą one wystąpić podczas obróbki skrawaniem z powodu silnych obciążeń termomechanicznych powodowanych przez krawędź tnącą lub mogą być generowane w szczególności za pomocą procesów hartowania mechanicznego.

Podobnie jak w przypadku naprężeń obciążeniowych, podstawowe rozróżnienie dotyczy szczątkowych naprężeń rozciągających i szczątkowych naprężeń ściskających. Naprężenia szczątkowe rozciągające są opisywane matematycznie liczbą dodatnią, a naprężenia szczątkowe ściskające liczbą ujemną. Ogólnie rzecz biorąc, można powiedzieć, że szczątkowe naprężenia ściskające wydłużają żywotność komponentów, podczas gdy szczątkowe naprężenia rozciągające skracają ją.

Powodem tego jest inicjacja pęknięć przez piki naprężeń. Jeśli naprężenie rozciągające stanie się zbyt wysokie w jednym punkcie elementu, pęknie on w tym miejscu. Początkowo pęknięcie to jest niewielkie, ale staje się coraz większe wraz z dalszym naprężeniem, aż w końcu element ulega uszkodzeniu. Mówiąc prościej, można sobie wyobrazić, że szczątkowe naprężenia rozciągające również przyciągają pęknięcie, powodując jego szybszy wzrost. Resztkowe naprężenia ściskające przeciwdziałają propagacji pęknięcia, a tym samym spowalniają jego wzrost.

Superpozycja obciążenia i naprężeń szczątkowych

Podobnie jak wszystkie naprężenia, naprężenia szczątkowe mogą również nakładać się na naprężenia obciążeniowe. Można to osiągnąć poprzez prostą superpozycję. Innymi słowy, obciążenie i naprężenia szczątkowe są po prostu sumowane. Wynikiem jest naprężenie wynikowe. Możemy to łatwo zrozumieć na przykładzie jednoosiowego stanu naprężenia, tj. pręta. Jeśli do tego elementu zostanie przyłożone jednoosiowe naprężenie rozciągające _sLast = 600 MPa i nie ma on naprężeń szczątkowych, wówczas naprężenie wynikowe nadal wynosi _sRes = 600 MPa. Jeśli z drugiej strony pręt zostanie poddany szczątkowemu naprężeniu ściskającemu _sESP = -200 MPa w tym samym kierunku, wówczas 200 MPa zostanie matematycznie odjęte od 600 MPa, a wynikowe naprężenie wyniesie _sRes = 400 MPa. Pręt, który na przykład uległby uszkodzeniu przy 550 MPa, mógłby zatem zostać użyty w drugim przypadku, ale nie w pierwszym. W ten sposób można jasno wyjaśnić wpływ naprężeń szczątkowych.

Ale co w przypadku wieloosiowego stanu naprężenia? Tutaj oczywiście koncepcja musi być zastosowana do całego tensora naprężeń. W takim przypadku dla każdego składnika tensora naprężeń należy zastosować odpowiednie wartości naprężeń szczątkowych. Na przykład naprężenie główne _sx w kierunku x musi zostać skompensowane z naprężeniami szczątkowymi w kierunku x. Jeżeli zostanie to przeprowadzone dla wszystkich składowych, a także naprężeń ścinających, uzyskuje się kompletny tensor naprężeń z naprężeniami szczątkowymi [1].

W celu oszacowania wpływu na wytrzymałość można zastosować koncepcję naprężenia równoważnego. Kompresuje to tensor naprężeń do pojedynczej wartości naprężenia i może być porównane z charakterystycznymi wartościami wytrzymałości z wykresu naprężenie-odkształcenie.

Przedstawiona metoda nie jest oczywiście kompletną oceną żywotności i zawsze należy przeprowadzić dalsze obliczenia lub testy w celu oszacowania wytrzymałości dynamicznej. Przedstawiona metoda pozwala jednak z grubsza oszacować wpływ naprężeń szczątkowych. Efekty takie jak dodatkowe utwardzenie mikrostruktury lub zmniejszenie naprężeń szczątkowych podczas obciążenia nie są jednak brane pod uwagę.