בתהליך של עיבוד וייצור חומרים, מתח שיורי הוא תופעה נפוצה, שיש לה השפעה חשובה על הביצועים וחיי השירות של חומרים. הבנת הגורמים למתח שיורי, מאפייני הפצה מרחבית והשפעתו על תכונות החומר, לשיפור איכות המוצר, מניעת תאונות בטיחות היא בעלת משמעות רבה.
I. גורמים למתח שיורי
מתח שיורי מתייחס לסוף עיבוד החומר, חומר העבודה עדיין שומר על הלחץ הפנימי. מתח זה נובע בעיקר מההיבטים הבאים:
1. דפורמציה פלסטית לא אחידה
כאשר חומר העבודה נתון לעומסים מורכבים (כגון גלגול קר, שרטוט, אקסטרוזיה והזריקות פני השטח, גלגול וכו'), בשל הכוח הלא אחיד על החתך-, המקום של הכוח הגדול עלול לייצר דפורמציה פלסטית, בעוד שמקום הכוח הקטן עדיין עשוי להיות עיוות אלסטי. בעת פריקת עומס, עיוותים פלסטיים לא אחידים אלה עלולים להוביל למתחים שיוריים בתוך חומר העבודה. באופן ספציפי, אזורים מתוחים נתונים ללחצים דחיסה לאחר פריקה, בעוד אזורים סמוכים נתונים למתח מתיחה. מתח שיורי זה עקב עיוות פלסטי לא אחיד הוא צורה נפוצה של מתח בתהליכי עיבוד שבבי.
2. השפעות תרמיות של שדה טמפרטורה לא הומוגנית
בעיבוד תרמי, תהליכי החימום והקירור הם לרוב מורכבים מאוד, הכוללים חימום וקירור מהירים וכן חימום וקירור מקומיים. מכיוון שניתן להעביר חום רק דרך פני השטח, לחומר העבודה יהיו הבדלים בהתפשטות תרמית עקב חוסר אחידות בטמפרטורה במהלך חימום וקירור, אשר בתורו יוצר מתחים תרמיים חולפים. כאשר הערך של הלחצים התרמיים החולפים הללו עולה על גבול התפוקה של הטמפרטורה הגבוהה של החומר, מתרחשת דפורמציה פלסטית באזורים מסוימים. כאשר תהליך החימום הסתיים, למרות שחומר העבודה התקרר לטמפרטורת החדר, נוצרים מתחים שיוריים בתוך חומר העבודה עקב עיוות פלסטי לא אחיד במהלך תהליך החימום. מתחים שיוריים כאלה עקב שדות טמפרטורה לא אחידים שכיחים במיוחד בתהליכי טיפול בחום.
3. השפעות מעבר שלבים
במהלך עיבוד החומר, שינויים בארגון המתכתי (למשל טרנספורמציה של אוסטניט למרטנזיט במהלך כיבוי) מובילים לשינויים בנפח הספציפי הפנימי של החומר, אשר בתורו יוצר מתחי מעבר פאזה. מתח מעבר פאזה זה יישאר גם בתוך חומר העבודה לאחר העיבוד, וייצור מתח שיורי.
שנית, ההתפלגות המרחבית של מאפייני מתח שיורי
ההתפלגות המרחבית של מתח שיורי תלויה בגורם שלה ובתנאים הספציפיים של העיבוד. באופן כללי, ניתן לחלק מתח שיורי לשלוש קטגוריות: מתח מאקרו שיורי, מתח מיקרו שיורי ולחץ אולטרה-מיקרו שיורי.
1. מאקרו שאריות מתח
מתח שיורי מאקרוסקופי נמצא בחומר העבודה בכללותו או בטווח המאקרו של מתח שיורי כדי להשיג שיווי משקל. ההתפלגות של הלחץ הזה היא בדרך כלל אחידה יותר, לביצועים הכוללים של חומר העבודה יש השפעה גדולה יותר. בתהליך, עקב דפורמציה פלסטית לא אחידה או שדה טמפרטורה לא אחיד של האפקט התרמי, חומר העבודה יפיק מאקרו מתיחה או מתח שיורי דחיסה.
2. מיקרו מתח שיורי
מתחים שיוריים מיקרוסקופיים הם מתחים שיוריים המגיעים לשיווי משקל בתוך כמה גרגרים בתוך חלק העבודה. ההתפלגות של מתח זה היא בדרך כלל מורכבת יותר, והצורה, הגודל והכיוון של הגרגר וגורמים אחרים. במהלך דפורמציה פלסטית, נוצרים מתחים מיקרוסקופיים של מתיחה או דחיסה עקב אינטראקציות גרגר ונוכחות של גבולות גרגרים. ללחצים אלו יש השפעה חשובה על התכונות המקומיות של החומר, כגון חוזק עייפות וקצב הארכת הסדקים.
3. מתח שיורי אולטרה-מיקרוסקופי
מתח שיורי אולטרה-מיקרוסקופי הוא מספר רב של משטחים אטומיים בחומר העבודה, עמודות אטומיות ליד שיווי המשקל של המתח השיורי. ההתפלגות של מתח זה מורכבת יותר, וקשורה למבנה המיקרו של החומר ולפגמים וגורמים נוספים. במהלך טרנספורמציות פאזה נוצרים מתח אולטרה-מיקרוסקופי או מתח שיורי דחיסה עקב עיוותים ופגמים של הסריג. ללחצים אלו יש השפעה על התכונות הפיזיקליות והכימיות של החומר.
מאפייני ההתפלגות המרחביים של הלחצים השיוריים אינם תלויים רק בסיבות שלהם, אלא גם קשורים קשר הדוק לתנאים הספציפיים של התהליך. לדוגמה, במהלך תהליך הריתוך, תפר הריתוך והאזורים הסמוכים לו עוברים חימום וקירור מהירים, וכתוצאה מכך חלוקה מורכבת של מתחים שיוריים באזורים אלו. לחוסר ההומוגניות של התפלגות מתח אלה יכולה להיות השפעה חשובה על החוזק והקשיחות של הריתוך.
שלישית, ההשפעה של מתח שיורי על תכונות החומר
למתח שיורי השפעה משמעותית על התכונות המכניות של חומרים. במונחים של חוזק תפוקה, כאשר ישנם מתחי מתיחה שיוריים בתוך החומר, זה יפחית את חוזק התנובה של החומר, מה שהופך את החומר נוטה יותר לעיוות פלסטי. לעומת זאת, מתחי דחיסה שיוריים מגבירים את חוזק התפוקה של החומר במידה מסוימת. לחוזק מתיחה, נוכחות של מתח שיורי תשנה את התפלגות המתח של החומר בתהליך המתיחה, ובכך תשפיע על חוזק המתיחה שלו. בנוסף, למתח השיורי תהיה השפעה גם על הפלסטיות, הקשיחות והקשיחות של החומר ואינדיקטורים נוספים. לדוגמה, מתח מתיחה שיורי מגביר את התארכות החומר, בעוד מתח לחיצה שיורי מקטין את התארכות החומר. מבחינת קשיות, מתח מתיחה שיורי מקטין את מדידת הקשיות, בעוד מתח לחיצה שיורי מגביר את מדידת הקשיות.
ההשפעה של מתח שיורי על חיי העייפות של חומר היא קריטית אף יותר. תחת השפעת עומס מתחלף, מתח מתיחה שיורי יועלה על העומס המופעל, יזרז את הופעת הסדקים והתרחבותם, ויפחית משמעותית את חיי העייפות של החומר. לכן, בתכנון וייצור של חלקים מכניים, יש לשקול במלואה את ההשפעה של מתח שיורי על מנת למנוע כשל עייפות שנגרם כתוצאה מלחץ שיורי מוגזם.
2. השפעה על תכונות פיזיקליות
למתח שיורי תהיה השפעה גם על התכונות הפיזיקליות של החומר. לדוגמה, מבחינת מקדם ההתפשטות התרמית, מתח שיורי ישנה את מבנה הסריג הפנימי של החומר, אשר בתורו משפיע על מאפייני ההתפשטות התרמית שלו. כאשר קיימים מתחים שיוריים בחומר, מקדם ההתפשטות התרמית עשוי להשתנות, מה שבחלק מהיישומים הרגישים לטמפרטורה (למשל, מערכות בקרה תרמית בחלל) עלול להוביל לבעיות בהתאמה של רכיבים. בנוסף, למתח שיורי יש השפעה על המוליכות התרמית והחשמלית של החומר. מחקרים הראו כי מתחים שיוריים יכולים לעוות את הסידור האטומי בתוך חומר, להגדיל את ההסתברות לפיזור של פונונים ואלקטרונים, ובכך להפחית את המוליכות התרמית והחשמלית של החומר. במכשירים אלקטרוניים, בהם פיזור חום ומוליכות חשמלית הם קריטיים, השפעה זו ממתח שיורי עלולה להוביל לירידה ביעילות התרמית ולעלייה בהתנגדות של המכשיר, אשר בתורה משפיעה על הביצועים והיציבות של המכשיר.
