نحوه تشکیل تنش پسماند در صنایع

نحوه تشکیل تنش پسماند:
«تنش پسماند» (Residual Stress)، به تنشی گفته می شود که پس از برداشتن عامل اصلی بارگذاری، درون ماده باقی می ماند.

در این مقاله به معرفی این نوع تنش، کاربردها، نحوه اندازه گیری و روش های رهاسازی آن خواهیم پرداخت.

تنش های پسماند را می توان به دو دسته مفید و مضر تقسیم کرد. به عنوان مثال، روش «لیزر زنی» (Laser Peening) باعث ایجاد تنش های پسماند مفید درون قطعات فلزی نظیر پره های موتورهای توربینی می شود.

به علاوه، این روش در شیشه حرارت دیده و به منظور ساخت صفحه نمایش های بزرگ، نازک، ضد ترک و ضد خَش برای تلفن های هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد.

با این وجود، حضور تنش های پسماند ناخواسته در یک سازه می تواند منجر به شکست دائمی آن شود.

تشکیل تنش های پسماند در فرآیندهای مختلفی نظیر تغییر شکل های غیر الاستیک (پلاستیک)، تغییرات دما (در حین چرخه های حرارتی) یا تغییرات ساختاری (تبدیل فاز) رخ می دهد.

حرارت ناشی از عملیات جوشکاری می تواند باعث ایجاد انبساط های موضعی و افزایش این انبساط ها در حین جوشکاری به وسیله فلز مذاب یا جایگذاری بخش های جوش داده شده شود.

در این صورت، هنگام سرد شدن قطعه جوشکاری شده، میزان انقباض و کاهش دمای برخی از نواحی بیشتر از نواحی دیگر خواهد بود.

این موضوع منجر به باقی ماندن تنش های پسماند درون قطعه می شود.

در ساخت مواد نیمه رسانا و میکرو الکترومکانیکی، هنگام انباشتن لایه های نازکی که دارای خصوصیات حرارتی و بلوری متفاوتی هستند و تحت شرایط مختلف ساخته شده اند نیز مسئله باقی ماندن تنش های پسماند به وجود می آید.

تغییرات تنش در داخل مجموعه ای ساخته شده از مواد لایه ای نازک می تواند بسیار پیچیده باشد. در این موارد، امکان تغییر بین تنش های فشاری و کششی از لایه ای به لایه دیگر وجود دارد.

تنش پسماند فشاری:
«ساچمه زنی» (Shot Peening) سطوح و «ضربه کاری پربسامد» (High Frequency Impact Treatment) یا اصطلاحاً «HiFIT» پنجه جوش، از روش های متداول برای ایجاد تنش پسماند فشاری هستند.

عمق تنش پسماند فشاری با توجه به روش انتخابی تغییر می کند. در مجموع، با استفاده از هر یک از این دو روش می توان طول عمر سازه ها را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

تنش پسماند در تیرها:
روش های مختلفی برای ایجاد تنش پسماند یکنواخت در تیرها وجود دارد. به عنوان مثال، روش «خمش چهار نقطه ای» (Four Point Bend) امکان ایجاد تنش پسماند از طریق اعمال بار توسط دو استوانه را فراهم می کند.

کاربردهای تنش پسماند:
وجود تنش های پسماند کنترل نشده در قطعات مکانیکی عامل نامطلوبی است. با این وجود، برخی از طراحی ها بر اساس این نوع تنش ها صورت می گیرند.

به عنوان مثال، با ایجاد تنش پسماند فشاری در مواد شکننده، مقاومت آن ها افزایش می یابد. شیشه حرارت دیده و بتن پیش تنیده نمونه هایی از این گونه مواد هستند.

ساز و کار غالب برای شکست در مواد شکننده، شکست ترد است که با شکل گیری ترک های اولیه آغاز می شود.

در هنگام اعمال یک نیروی کششی خارجی به ماده، تنش ها در محل نوک ترک ها متمرکز می شوند. این تمرکز تنش، تنش های کششی محلی در نوک ترک ها را افزایش می دهد.

محدوده مقادیر تنش در این حالت، بیشتر از تنش میانگین در حالت توده ای ماده (بدون ترک) خواهد بود.

به همین دلیل، هنگامی که ماده در معرض تمرکز تنش های بیش از حد قرار گیرد، اندازه ترک های اولیه به سرعت افزایش می یابد و باعث ایجاد شکست می شود.

ماده ای که دارای تنش پسماند فشاری باشد، در مقابل شکست های ترد مقاومت می کند. دلیل این موضوع، تشکیل ترک های اولیه در هنگام اعمال تنش فشاری یا تنش کششی منفی است.

به این ترتیب، به منظور ایجاد شکست ترد در اثر رشد ترک های اولیه، تنش کششی خارجی باید بر تنش پسماند فشاری غلبه کند. این امر باید پیش از اعمال تنش کششی مورد نیاز برای گسترش نوک ترک ها صورت گیرد.

در شیشه های حرارت دیده، تنش های فشاری بر روی سطح شیشه ایجاد می شوند. این تنش ها با تنش های کششی موجود در داخل شیشه تعادل دارند. با توجه به تنش پسماند فشاری بر روس سطح، مقاومت شیشه حرارت دیده در برابر ایجاد ترک زیاد است.

با این وجود، در صورت شکسته شدن سطح بیرونی، شیشه به قطعات کوچک تقسیم خواهد شد.

تأثیر تنش های پسماند فشاری بر مقاومت ماده را می توان در «قطره پرنس روپرت» (Prince Rupert’s Drop) مشاهده کرد.

ساخت این قطره توسط سرد کردن ناگهانی یک شیشه مذاب کروی شکل صورت می گیرد. سطح بیرونی شیشه مذاب زودتر از دیگر بخش ها سرد و سخت می شود. از این رو، در هنگام سرد و سخت شدن مواد داخلی شیشه، ماده تمایل دارد که حجم خود را نسبت به مقدار تعریف شده (توسط سطح بیرونی) کاهش دهد.

این موضوع سبب ایجاد کشش در درون بخش بزرگی از شیشه می شود و پوسته کروی آن را به طور هم زمان تحت کشش و فشارش قرار می دهد.

در نتیجه، سختی شیشه به طرز قابل توجهی افزایش می یابد. قطره پرنس روپرت می تواند در برابر ضربه های چکش مقاومت کند اما اگر دُم آن شکسته شود، تعادل نیروهای درون ماده به هم می خورد و قطره به شدت خرد می شود.

لوله برخی از تفنگ ها از ترکیب دو لوله تو در تو ساخته شده است که در هنگام کشیده شدن لوله خارجی، لوله داخلی فشرده می شود. این عمل از باز شدن ترک های خان در هنگام شلیک جلوگیری می کند.

شکست زودرس:
در فرآیند ریخته گری، خنک کاری نابرابر منجر به ایجاد تنش های پسماند بزرگ در قطعات می شود. تنش پسماند غالباً یکی از دلایل ایجاد شکست زودرس در اجزای مهم سازه ها به حساب می آید.

این نوع تنش یکی از عوامل احتمالی ریزش «پل سیلور» (Silver Bridge) در سال 1967 است. میل مهارهای به کار گرفته شده در این پل، با استفاده از فرآیند ریخته گری ساخته شده بودند. به همین دلیل، تنش پسماند بسیار زیادی درون این قطعات وجود داشت.

در هنگام رخ دادن شکست، تنش پسماند موجود در یکی از این قطعات باعث رشد ترک، رسیدن آن به اندازه بحرانی و ریزش پل بر اثر ایجاد یک واکنش زنجیره ای شد. این حادثه در هنگام اوج ترافیک حمل و نقل رخ داد و تلفات جانی و مالی قابل توجهی (کشته شدن 46 نفر و ساخت دوباره پل) را به جای گذاشت.

این گونه حوادث، اهمیت در نظر گرفتن تنش های پسماند در طراحی سازه ها را نشان می دهند.