معرفی روش های اندازه گیری تنش پسماند و آزادسازی آن

روش های اندازه گیری تنش پسماند:
روش های زیادی برای اندازه گیری تنش های پسماند وجود دارند که به سه دسته کلی روش های «مخرب» (Destructive)، «نیمه مخرب» (Semi-Destructive) و «غیر مخرب» (Non-Destructive) تقسیم می شوند.

انتخاب هر یک از این روش ها به اطلاعات مورد نیاز و طبیعت نمونه مورد آزمایش بستگی دارد. عمق یا میزان نفوذ اندازه گیری (بر روی سطح یا در جهت عمق)، مقیاس طولی اطلاعات مورد نیاز و همچنین هندسه و مکان نمونه نیز از عوامل دخیل در انتخاب روش هستند.

علاوه بر این، برخی از روش ها باید در تأسیسات آزمایشگاهی مخصوص اجرا شوند. بنابراین، انجام اندازه گیری های برجا برای تمام روش ها امکان پذیر نیست.

روش های مخرب:
روش های مخرب باعث ایجاد تغییرات بزرگ و جبران ناپذیری در سازه می شوند. در این روش ها، امکان به کارگیری مجدد نمونه مورد آزمایش وجود ندارد.

به این ترتیب، یا باید از یک قطعه یدکی برای جایگزین کردن نمونه در سازه استفاده شود یا یک مدل فیزیکی دقیق به عنوان نمونه آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد.

روش های مخرب، از اصلی به نام «آزادسازی کرنش» (Strain Release) استفاده می کنند. در آزادسازی کرنش، نمونه مورد نظر به منظور آزادسازی تنش های پسماند برش داده می شود. پس از آزادسازی تنش، تغییر شکل های ایجاد شده مورد ارزیابی قرار می گیرند.

این تغییر شکل ها معمولاً به صورت الاستیک هستند. بنابراین می توان بین مقدار تغییر شکل و مقدار تنش پسماند رها شده یک رابطه خطی تعریف کرد.

برخی از روش های مخرب عبارت اند از:

• «روش کانتور» (Contour Method):در این روش، با استفاده از «ماشین کاری تخلیه الکتریکی» (Electrical Discharge Machining) یا اصطلاحاً «EDM»، تنش پسماند بر روی یک مقطع دوبعدی نمونه و در راستای عمود بر سطح برش اندازه گیری می شود.
• «شیارزنی» (Slitting): در این روش، تنش پسماند در جهت ضخامت نمونه و در راستای عمود بر شیار ایجاد شده اندازه گیری می شود.
• «برداشت/جدایش/لایه بندی بلوک» (Block Removal/Splitting/Layering)
• «حفاری ساکس» (Sachs’ Boring)

روش های نیمه مخرب:
روش های نیمه مخرب نیز مانند روش های مخرب از اصل آزادسازی کرنش استفاده می کنند. اگرچه در این روش ها، تنها بخش کوچکی از ماده برداشت می شود و کلیت سازه دست نخورده باقی می ماند.

موارد زیر، نمونه هایی از روش های نیمه مخرب هستند:

«سوراخ کاری عمیق» (Deep Hole Drilling):
در این روش، با مغزه گیری از اطراف حفره ایجاد شده و تنش زدایی در مغزه، تنش های پسماند در جهت ضخامت ماده اندازه گیری می شوند.

«سوراخ کاری مرکزی» (Centre Hole Drilling):
در این روش، با استفاده از آزادسازی کرنش بر اثر ایجاد یک حفره کم عمق و یک کرنش سنج مشبک (ترکیبی)، تنش های پسماند موجود در نزدیکی سطوح ماده اندازه گیری می شوند.

سوراخ کاری مرکزی برای ایجاد حفره هایی با عمق حداکثر 4 میلی متر مناسب است. به علاوه، امکان انجام این روش در محل اجرای پروژه و برای آزمایش های برجا نیز وجود دارد.

توجه داشته باشید که برای قطعات نازک می توان از روش «سوراخ کاری کور» (Blod Hole Drilling) به جای سوراخ کاری مرکزی استفاده کرد.

«برش حلقوی» (Ring Core):
این روش مشابه سوراخ کاری مرکزی است؛ با این تفاوت که برش حلقوی نرخ نفوذ بیشتری دارد. به علاوه، فرآیند برش در اطراف کرنش سنج مشبک (ترکیبی) انجام می شود.

روش های غیر مخرب:
روش های غیر مخرب، عوامل مؤثر بر رابطه بین تنش های پسماند و ویژگی های بلور شناختی مواد را اندازه گیری می کنند.

اساس برخی از این روش ها، اندازه گیری پراش تابش الکترومغناطیسی پربسامد با استفاده از مقایسه فاصله شبکه اتمی در وضعیت تغییر یافته نسبت به حالت بدون تنش است.

روش های فراصوت و مغناطیسی، خصوصیات آکوستیک و فرو مغناطیسی مواد را به دست می آورند. با استفاده از این خصوصیات می توان اندازه گیری های مربوط به تنش پسماند را انجام داد.

روش های غیر مخرب شامل موارد زیر می شوند:

• «پراش نوترون» (Neutron Diffraction): روشی مطمئن با قابلیت اندازه گیری در جهت ضخامت ماده است. اجرای این روش به یک منبع نوترونی (مانند یک رآکتور هسته ای) نیاز دارد.
• «پراش سینکروترون» (Synchrotron Diffraction)
• «پراش اشعه ایکس» (X-Ray Diffraction): یک روش سطحی محدود با قابلیت نفوذ چند صد میکرون است.
• «فراصوت» (Ultrasonic): یک روش تجربی است که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد.
• «مغناطیسی» (Magnetic): برای نمونه هایی با ابعاد محدود قابل استفاده است.
• «سیستم eStress»: سیستمی مبتنی بر انرژی الکترومغناطیس است که برای اندازه گیری تنش پسماند فلزات مختلف در جهت ضخامت آن ها مورد استفاده قرار می گیرد. اندازه گیری eStress را می توان در هر مکانی انجام داد.این سیستم می تواند تا ده ها سانتی متر به عمق فلزات نفوذ کند. قابلیت های این روش، محدودیت های روش های قبلی را از بین می برد. ترکیب آزمایش های پراش نوترون با سیستم eStress، دقت نتایج این سیستم و امکان استفاده از آن برای تمام فلزات را امکان پذیر می کند. مدت زمان اندازه گیری با این روش، بین 1 تا 20 ثانیه برای هر ناحیه است. این محدوده زمانی کوتاه، اندازه گیری در نواحی زیاد را ممکن می سازد.

آزادسازی تنش پسماند:
روش های متنوعی برای کاهش مقدار تنش های پسماند نامطلوب مورد استفاده قرار می گیرند. این روش ها به دو دسته روش های حرارتی و مکانیکی (غیر حرارتی) تقسیم می شوند.

روش های حرارتی:
در روش های حرارتی آزادسازی تنش های پسماند، دمای تمام بخش های درون جسم به طور یکنواخت تغییر داده می شود.

این تغییر می تواند از طریق سرد کردن یا گرم کردن جسم صورت گیرد. در صورت استفاده از گرما برای آزادسازی تنش، به فرآیند مذکور «پخت آزادسازی تنش» (Stress Relief Bake) و در صورت به کارگیری سرما، به فرآیند مذکور «رهاسازی برودتی تنش» (Cryogenic Stress Relief) گفته می شود.

استفاده از سرما برای آزادسازی تنش نسبتاً غیر متداول است.

آزادسازی تنش از طریق پخت حرارتی:
مقاومت تسلیم اکثر فلزات در هنگام افزایش دما کاهش می یابد. اگر در اثر افزایش دما، مقاومت تسلیم ماده به اندازه کافی کاهش داده شود، محل هایی که مقدار تنش های پسماند آن ها (در حالت گرما دیده) بیشتر از مقاومت تسلیم ماده است، یا تسلیم می شوند یا تغییر شکل می دهند.

این فرآیند باعث باقی ماندن تنش های پسماندی می شود که حداکثر مقدار آن ها برابر با مقاومت تسلیم ماده در حالت گرما دیده است.

آزادسازی تنش از طریق پخت حرارتی نباید با روش های «بازپخت کامل» (Annealing) یا «برگشت دهی» (Tempering) اشتباه گرفته شود.

این دو روش حرارتی، برای افزایش شکل پذیری فلزات مورد استفاده قرار می گیرند.

فرآیندهای بازپخت کامل و برگشت دهی شامل افزایش حرارت تا رسیدن به دماهای بالا و کاهش تنش های پسماند می شوند اما علاوه بر این موارد، خواص متالورژیکی ماده نیز تغییر می کند که این مسئله در فرآیند آزادسازی تنش از طریق پخت حرارتی مطلوب نیست.

برای مواد به خصوصی مانند فولاد کم آلیاژ، باید بر روی دمای ماده در حین فرآیند آزادسازی تنش از طریق پخت حرارتی نظارت داشت.

چراکه امکان رسیدن دمای ماده به مقدار مورد نیاز برای دستیابی به سختی حداکثر وجود دارد. این مسئله باعث به وجود آمدن تنش های داخلی در قطعات و در نتیجه ایجاد تردی و شکنندگی در آن ها می شود.

به همین علت به جز در مواردی که سختی بسیار بالایی مورد نیاز باشد، از دمای بسیار بالا در فرآیند آزادسازی تنش استفاده نمی شود.

آزادسازی تنش از طریق انجماد:
در روش «رهاسازی برودتی تنش» (Cryogenic Stress Relief)، ماده مورد نظر (در اغلب موارد فولاد) درون یک محیط انجمادی نظیر نیتروژن مایع قرار داده می شود.

در طی این فرآیند، ماده برای یک دوره طولانی تا رسیدن به دمای انجماد سرد شده و سپس به آرامی به دمای اتاق بازگردانده خواهد شد.

روش های غیر حرارتی:
«ساچمه زنی» (Shot Peening) و «لیزر زنی» (Laser Peening)، از روش های مکانیکی آزادسازی تنش های نامطلوب (از نوع کششی سطحی) و جایگزینی آن ها با تنش های مفید (از نوع پسماند فشاری) هستند.

در هریک از این روش ها، سطح جسم به همراه یک ماده واسط پوشانده می شود. معمولاً یک ماده فلزی یا شیشه ای در ساچمه زنی مورد استفاده قرار می گیرد.

در لیزر زنی، از پرتوهای نوری شدید برای ایجاد امواج ضربه ای و انتشار آن ها درون ماده استفاده می شود.