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殘余應力產生的原因及分類

產生殘余應力的機理:

   各種機械加工工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會產生不同程度殘余應力。下面用力學模型分析殘余應力產生的原因。

 一、機械加工引起的殘余應力

    這是金屬構件在加工中最易產生的殘余應力。當施加外力時,物體的一部分出現塑性變形,卸載后,塑性變形部分,限制了與其相鄰部分變形的恢復,因而出現了殘余應力。如圖1.1a所示,當一均勻梁受純彎曲且上下表面進入塑性時,沿橫截面各層上的應變分布如aa`線所示。其中mn部分產生了塑性變形,而no部分仍處于彈性狀態。當外力去除時梁的變形得到恢復,各點的應變也得到釋放,但梁的上表面m點深至n點這一層內已產生塑性變形,設上表面m點的塑性應變為εt,則當截面mm`各點的應變恢復到折線bnon`b`時,整個截面內將不存在應力。但實際上梁截面內應變分布是以中性層為坐標原點的線性分布,所以當上表面的應變值從εa降至εt時,截面內各點仍有不平衡的彈性應變如△bon所示。因此梁的變形將繼續恢復,并使表面往下某一深度內產生壓縮應變如△bpc所示。這時梁內出現了如圖1.1b所示的應力分布。直到所有的應力在梁軸向總和為零且對o點的力矩為0時,截面處于平衡狀態而不再發生變形。這時沿截面各點出現了正負相間的自相平衡的應力系統,這就是殘余應力。

上述分析可見,構件在外力作用下出現局部的塑性變形,當外力去除時,這些局部的塑性變形限制了整個截面變形的恢復,因此產生了殘余應力。這種由局部塑性變形引起的殘余應力,在很多加工工藝中均會出現,如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應力往往是很大的。

二、溫度不均勻引起的殘余應力

這種殘余應力的產生主要有以下兩種原因:第一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形;第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。

1、于熱塑性變形不均而產生的殘余應力;

金屬材料在高溫下其性能將發生很大的變化,如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降。如果構件上溫度場的溫度階梯較大,則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的,因此在高溫下出現的熱塑性也是不均勻的。如圖1.2所示,是材料在不同溫度下的屈服極限的變化曲線。從圖中可以看出,材料在0—500℃階段的屈服極限基本不變,等于常溫時的屈服極限σs 。當溫度在500—600℃階段時,材料的屈服極限成線形下降至接近于零。當溫度超過600℃以后,可以認為屈服極限為零。

2、因組織改變而產生的殘余應力

從圖1.2中可見,如果溫度大于600℃,其應力變化與低溫時是相似的。但由于這時材料的屈服極限接近于零。因此很容易出現熱塑性變形。變形恢復時受的阻力也比前者大,所以殘余應力也較大,但產生殘余應力的條件是不變的。高溫中的另一個問題就是由相變引起的相變應力。金屬的組織發生相變時,會出現體積的突然膨脹。如果這種膨脹是均勻的,則如同構件均勻熱膨脹一樣,沒有約束的情況下不產生應力。但是由于構件的組織成分不均勻,溫度分布不均勻等等原因,造成構件各部分相變時間不同,體積膨脹不均勻,因此使各部分間出現互相約束而產生了殘余應力。

三、構件尺寸公差引起的殘余應力

在焊接、鉚接、螺釘連接時往往有公差配合問題。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起,這些由外力拉到一起而組合的結構,當外力去除后,整個系統就出現了殘余應力。這種應力一般來說屬于結構應力,大多數情況下處于彈性狀態。

總之,殘余應力的產生是由于構件某一部分的變形恢復受到約束而造成的。局部不均勻的塑性變形的出現,是產生殘余應力的普遍原因。一個構件上殘余應力的分布狀態是由各種原因產生的殘余應力的綜合值來決定的,因此它的分布規律是隨機的,給測量和研究帶來較大的困難。

殘余應力的影響

金屬構件(鑄件、焊接件、鍛件),在加工過程中,產生殘余應力,高者在屈服極限附近。構件中的殘余應力大多數表現出很大的危害作用;如使構件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應力腐蝕和脆性斷裂,由于殘余應力的松弛,使構件產生變形,影響了構件的尺寸精度。因此降低和消除構件的殘余應力,就顯得十分必要。

1、對金屬材料屈服極限的影響

圖1.3為金屬材料的應力-應變曲線示意圖。

如果材料具有拉伸殘余應力,如圖中σt,則相當于提高了應力-應變曲線的坐標原點,而改為σo-εo坐標。即相當于降低了材料的拉伸屈服極限。即: σts =σs-σt

而相應提高了壓縮屈服極限。                      即:σ                 ″             ts=-(σs+σt)

如果材料具有壓縮殘余應力的情況,就如同圖1.3中坐標σ‵o - εo 所描述的那樣:使拉伸屈服極限提高,而壓縮屈服極限降低。

我們必須在考慮構件強度性能要求的基礎上來評定這些影響的好壞。一般來說,設計者不希望構件內具有拉伸殘余應力,但假若構件內具有壓縮殘余應力,則可提高構件的疲勞壽命。這正象預壓力鋼筋混凝土梁可以提高構件的使用強度一樣。因此,對殘余應力所造成的屈服極限的變化,要根據設計者的要求使用極限強度來加以衡量。

2、殘余應力對疲勞壽命的影響

人們很早就知道,當受到交變應力的構件存在壓縮殘余應力時,該構件的疲勞強度會有所提高,而存在拉伸殘余應力時,其疲勞強度會有所下降。因此在實際應用中往往通過表面硬化處理產生壓縮殘余應力,從而有效地提高疲勞強度。但是很多情況下,構件表面存在的是拉伸殘余應力,人們首先考慮的是如何來改變這種應力分布以提高疲勞壽命,這就是調整殘余應力問題,這與考慮殘余應力對變形的影響是不相同的,后者考慮的是如何降低和消除殘余應力以保證構件變形的穩定性。

實際上,殘余應力對疲勞的影響因條件和環境的不同而改變。它與殘余應力分布規律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態等因素有關。當我們研究殘余應力對疲勞的影響時既要考慮宏觀殘余應力的影響,也要考慮微觀殘余應力的影響?梢哉J為,宏觀殘余應力在初期暫時與作用的交變應力疊加,改變應力水平,較大地影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應力,在應力交變過程中,會使微觀區域內的塑性變形積累,這些影響比起對靜強度的影響來說,在實際上更為重要。

                        圖1.4所示的是對厚度3mm的薄板進行噴丸強化和形變強化使之表面出現壓縮殘余應力,并通過對不同量值的殘余應力試件進行脈動彎曲疲勞極限的測定得出的殘余應力與疲勞極限間的關系。從圖中可以看出,外表面最高的殘余應力與疲勞極限間的關系極為明顯。

用熱處理方法使表面產生壓縮殘余應力也是對疲勞強度影響的實例,圖1.5是把圓棒在600℃時急冷,使表面產生壓縮殘余應力。

電鍍處理的殘余應力由于工藝電流、電鍍液種類、溫度等的不同,使其分布和量值的差異很大,因此電鍍殘余應力對疲勞強度的影響變化也很大。多數金屬在電鍍后表面產生拉伸殘余應力,因此將大大降低疲勞強度。

殘余應力對疲勞強度的影響是復雜的。由于在交變應力作用下殘余應力將會發生很大的變化,所以研究殘余應力與疲勞強度之間的關系是比較困難的。但其影響規律,通過實驗還是可以找到的。

3、殘余應力對構件變形的影響

殘余應力是一個不穩定的應力狀態。當構件受到外力作用時,作用應力與殘余應力的相互作用,使某些局部呈現塑性變形,截面內應力重新分配,當外力作用去除時整個構件將要發生變形。所以殘余應力明顯地影響著加工后的構件精度。這也是機械加工和工程部門最關心的問題之一。

實踐已證明,具有表面拉伸殘余應力的構件其變形穩定性遠遠不如具有表面壓縮殘余應力的構件變形穩定性好。

殘余應力對構件變形的影響包括兩個方面,一是構件抗靜、動載荷的變形能力,另一方面是荷載卸除后變形的恢復能力。殘余應力在這兩個方面對構件的影響是很大的,因此人們一直在研究消除這些影響的有效辦法。

4、殘余應力對金屬脆性破壞的影響

脆性破壞是構件在幾乎不存在塑性變形的情況下突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然增大的情況下,最容易發生。這時塑性變形處于抑制狀態,如再突然受到較大的作用應力等原因,就易于發生脆性斷裂破壞。殘余應力是作為初始應力存在于構件內,特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。

下面我們做個實驗:把長度91cm、寬76cm、厚為2cm的軟鋼板對焊起來。在焊縫處沿接合方向的殘余應力是接近于焊接金屬屈服極限的拉應力。將焊好的試件一部分做退火處理以消除殘余應力,再與未經處理的試件一起放在-13℃下冷卻,結果發現經處理的試件未出現裂紋,而沒經退火處理的試件即使無外力作用下也出現了脆性裂紋。分析其原因是在溫度的快速下降時,材料塑性下降所引起的脆性破壞。殘余應力的脆性破壞在焊接件中最易發生。某重型汽車廠生產的車架由于焊接裂紋而大批報廢。某造船廠鑄造的十幾噸重的大型鏈輪箱,因開箱溫度過高而室溫較低,箱體交角處從上至下出現斷裂裂紋,裂紋速度發展較快。這些都說明在無外力作用下產生脆性破壞完全是殘余應力引起的。

5、殘余應力對應力腐蝕開裂的影響

金屬與周圍介質的接觸而產生化學作用所引起的破壞稱做腐蝕。如果在發生腐蝕的同時還有應力的作用,則會加速腐蝕破壞,這就是應力腐蝕開裂。它的特點是:一是拉應力與腐蝕共存。二是由于材料成分和組織不同、介質不同等,對應力腐蝕的敏感性也不同。有時在不發生腐蝕的介質中,有些金屬在應力作用下也發生應力腐蝕現象。三是在應力腐蝕開裂過程中,首先出現點蝕,再逐步擴展成裂紋,裂紋的擴展主要是沿著最大主應力垂直的方向進行,在微觀上是沿著材料晶界或穿過晶粒進行。

試驗證明,拉應力和腐蝕共存是應力腐蝕的必要條件。拉應力使腐蝕破壞加速,這是應力對腐蝕的作用。而殘余應力的存在則必有拉伸應力,因此對于承受腐蝕的金屬構件來說,殘余應力也起到了應力腐蝕的作用。對于壓縮殘余應力則恰恰相反,可以防止和減低應力腐蝕開裂現象。防止應力腐蝕開裂的現場措施有表面壓延、噴丸和氮化處理等,其原理都是使構件表面產生壓縮殘余應力。

殘余應力在幾種典型工況下的產生

1、 鑄造應力的產生:

(1)         熱應力

由于鑄件各部分的薄厚不一樣(如機床床身導軌部分很厚,側壁.筋板部分較。,鑄后,薄壁部分冷卻速度快收縮大,而厚壁部分,冷卻速度慢,收縮小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙,所以薄壁部分受拉力,厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大,因而產生的拉壓應力也大。這時鑄件的溫度高,薄厚壁都處于塑性狀態,其壓應力使厚壁部分變粗,拉應力使薄壁部分變薄,拉壓應力隨塑性變形而消失。

鑄件逐漸冷卻,當薄壁部分進入彈性狀態而厚壁部分仍處于塑性時,壓應力使厚壁部分產生塑性變形,繼續變粗,而薄壁部分只是彈性拉長,這時拉壓應力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續冷卻,當薄厚壁部分進入彈性區時,由于厚壁部分溫度高,收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮,故薄壁受壓應力,厚壁受拉應力。應力方向發生了變化。這種作用一直持續到室溫,結果在常溫下厚壁部分受拉應力,薄壁部分受壓應力。

這個應力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同,塑性變形不均勻而產生的,叫熱應力。

在導軌或側壁的同一個截面內,表層與內心部,由于冷卻快慢不同,也產生相互平衡的拉壓應力,用類似與上述方法分析,可知在室溫下表層受壓應力,心部受拉應力,并且截面越大,應力越大,此應力也叫熱應力。

(2)相變應力

常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%,屬于亞共晶鑄鐵,由結晶過程可知:厚壁部分在1153℃共晶結晶時,析出共晶石墨,產生體積膨脹 ,薄壁部分阻礙其膨脹,厚壁部分受壓應力,薄壁部分受拉應力。厚壁部分因溫度高,降溫速度快,收縮快,所以厚壁逐漸變為受拉應力。而薄壁與其相反。在共析(738℃)前的收縮中,薄厚壁均處于朔形狀態,應力雖然不段產生,但又不斷被塑性變性所松弛,應力并不大。當降到738℃時,鑄鐵發生共析轉變,由面心立方結構變為體心立方結構(既γ—Fe變為a —Fe),比容由 。同時有共析石墨析出,使厚壁部分伸入產生壓應力。上述的兩種應力,是在1153℃ 和738 ℃兩次相變而產生的,叫相變應力。相變應力與冷卻過程中產生的熱應力方向相反,相變應力被熱應力抵消。在共析轉變以后,不在產生相變應力,因此鑄件由于薄厚冷卻速度不同所形成的熱應力起主要作用。

(3)收縮應力(亦叫機械阻礙應力):鑄件在固態收縮時,因受到鑄型、型芯、澆冒口等的阻礙作用而產生的應力叫收縮應力。由于各部分由塑性到彈性狀態轉變有先有后,型芯等對收縮的阻力將在鑄件內造成不均勻的的塑性變形,產生殘余應力。收縮應力一般不大,多在打箱后消失。

2、焊接應力的產生:

焊接中.焊縫處溫度迅速升高,體積膨脹。熱影響區溫度低,阻礙焊縫膨脹,結果焊縫處產生壓應力,熱影響區產生拉應力。但此時焊縫處于塑性狀態,焊縫被壓應力墩粗,松弛了此應力。

    焊后冷卻時,熱影響區冷卻速度快,很快進入彈性狀態,焊縫處溫度高,處于塑性狀態。這時焊縫收縮,較熱影響區收縮慢,焊縫阻礙熱影響區收縮,焊縫仍受壓應力,影響區受拉應力。但焊縫處于塑性狀態,焊縫的塑性墩粗,松弛了此應力。

熱影響區溫度不斷降低,冷卻速度也變慢,當焊縫的冷卻速度高于熱影響區時,焊縫收縮較快,焊縫的收縮受到熱影響區阻礙,應力方向發生了轉變,焊縫受拉應力,熱影響區受壓應力。當焊縫和熱影響區都進入彈性狀態時,因焊縫溫度高,冷卻速度快,收縮量大,熱影響區溫度低,冷卻速度低,收縮量小,焊縫收縮受到熱影響區阻礙,結果焊縫受拉應力,熱影響區受壓應力。此時沒有塑性變形,這一對壓應力,隨著溫度的降低,焊縫收縮受阻礙越來越大,拉應力也越來越大,直至室溫,拉應力可近似于屈服極限。

3、淬火產生的殘余應力

淬火工藝使構件產生殘余應力的主要原因,是淬火件外表和心部的溫差而造成的熱應力,其次是由于相變而產生的組織應力。構件最終的殘余應力將是這兩種應力的綜合值。

殘余應力的分類

殘余應力的分類有許多種,如:

A、按應力產生的原因,有熱應力.相變應力.收縮應力。詳細內容如上所述。

B、按應力方向分有拉應力(力的方向向背的應力),壓應力(力的方向相同的應力)。

C、按影響區域的大小分有:

    第一類應力,亦叫宏觀應力。它是存在與整個體積或較大尺寸范圍內并保持平衡的應力。如沿機床床身導軌縱向分布的拉應力和沿側臂分布的壓應力等。

第二類應力,亦叫微觀應力。它是存在與一個晶;驇讉晶粒內,并保持平衡的應力。例如:晶粒1、2、3、4、5同處拉應力的應力場中,應力大小為σ。從金屬物理學可知:各個晶粒所受的切應力與取向因子成正比。假設晶粒1的取向因子最大,則晶粒1切應力最大。若此切應力略大于臨界內應力,則晶粒1產生塑性變性。其余各晶粒處于彈性狀態。

當應力σ除掉后,晶粒2、3、4、5均為回復到原狀態,但晶粒1產生塑性伸長,不能恢復到原狀態,阻礙2、3、4、5晶;貜,結果晶粒1受壓應力。其余各晶粒受拉應力。這種在幾個晶粒間存在并保持平衡的應力,稱為第二類殘余應力。

第三類應力,亦叫超微觀應力。它是存在與幾個原子或幾千個原子內并保持平衡的應力。例如,間隙原子與溶劑原子間存在的應力。

D、按應力在工件中存在和作用的時間長短可分為:

   臨時應力:所產生應力的條件消失后,應力也隨之消失。

   殘余應力:亦叫殘留應力或內應力。產生應力的條件消失后,應力依然存在于工件不同部位的應力叫殘余應力。如熱應力.相變內應力.收縮應力等,都是殘余應力。

綜上所述,鑄造.鍛造.焊接等都必然產生殘余應力。焊件沿焊縫縱向分布著近似于屈服點的拉應力。而鑄鐵件由于石墨尖端的松弛,殘余應力不高,鑄造應力范圍列與表一。            

各種鑄鐵件的鑄造應力           單位:N/mm2 

鑄鐵種類

灰鑄鐵

合金鑄鐵

蠕蟲狀石墨鑄鐵

球墨鑄鐵

殘余應力

52.3

106.3

127-137

180

 

 

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