Residuaalijännitykset

Residuaalijännitykset ovat kappaleeseen jääneitä jännitteitä ilman ulkoista kuormitusta. Ne ovat itsensä tasapainottavia, eli jännitteet voivat olla sekä puristavia että venyttäviä kappaleen eri kohdissa ja ne voivat aiheuttaa muutoksia muodon sekä toleransseissa ilman ulkopuolista kuormitusta.

Ne syntyvät tyypillisesti valamisen, hitsauksen, lämpötyöstön, muotoilun sekä faasimuutosten seurauksena. Lämpötilagradientit ja epäyhtenäinen jäähdytys saavat aikaan tilavuus- ja rajapinnansiirtymiä, kun taas faasimuutokset kuten martensiittiluonteiset rakenteet voivat siirtää sisäisiä jännitteitä. Jännitykset voivat olla pinnallisia tai syviä, ja niiden ominaisuudet sekä suunta riippuvat prosessista sekä materiaalista. Pintajännitykset ovat usein puristisia ja voivat parantaa kestävyyttä uupumista vastaan, kun taas suuret syvät jännitykset voivat lisätä halkeamien synty-vaaraa.

Mittaus ja arviointi: residuaalijännitteet voivat olla sekä ei-haitallisia että haitallisia, ja niiden mittaaminen toteutetaan sekä ei-haitallisilla että heikosti tuhoisilla menetelmillä. Yleisimmät ei-haitalliset menetelmät ovat röntgen- (XRD) ja neutronidiffraktiomittaukset sekä menetelmät, kuten kontuurimenetelmä (Contour Method). Haitallisemmat, mutta sujuvat menetelmät sisältävät reikäporausmenetelmän (hole-drilling) ja ring-core -menetelmän.

Vaikutukset: residuaalijännitykset vaikuttavat kappaleen kestävyyteen, muodonmuutoksiin ja asennettujen osien toleransseihin. Puristiset pinnalliset jännitykset voivat parantaa uupumiskestävyyttä, kun taas jännitteiset tai epätasaiset sisäiset jännitykset voivat lisätä halkeamien alkamisen riskiä ja aiheuttaa muodonmuutoksia valmistuksen aikaisessa käytössä.

Hallinta ja sovellukset: residuaalijännityksiä hallitaan suunnittelulla ja prosessien optimoinnilla sekä niiden pienentämisellä tai hyödyntämisellä. Esimerkkejä ovat lämpötilan hallinta prosesseissa, hitsauksen jälkikäsittely, peening-tekniikat (shot-peening, laser-peening) sekä lämmönkäsittelyt, kuten HIP- tai lämpörelief-käsittelyt. Additiivisessa valmistuksessa residuaalijännitykset ovat erityisen merkittäviä ja niitä pyritään hallitsemaan jo suunnitteluvaiheessa sekä jälkikäsittelyillä.