深度好文,解析什么是殘余應力?如何測量殘余應力?如何消除殘余應力?
發(fā)布時間:2021-12-14點擊:1923
1.什么是殘余應力?
首先來一段官方的定義:殘余應力 (Residual Stress) 是工件在制造過程中,將受到來自各種工藝等因素的作用與影響;當這些因素消失之后,若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失,仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi),則這種殘留的作用與影響就是殘余應力。
有點暈?那換個通俗的方式跟大家講。比如說一個人之前很瘦,買了一條L號的牛仔褲,然而過了個年吃成了大胖子,這時候再穿這條牛仔褲,由于人長胖了而褲子沒變,因此他就會覺得褲子太緊了,這時候身體與褲子之間就有了很強的作用力,如果用力過猛很容易把褲子撕破,這種破壞力就是殘余應力的作用效果。
從能量作功的角度來理解,外力使物體發(fā)生塑性變形時會導致物體內(nèi)部發(fā)生變形,因而積累一部分能量;當外力消除后,內(nèi)部應力分布不均勻的能量要進行釋放,如果物體的脆性低,則物體會緩慢變形,脆性高則形成裂紋。
殘余應力在機械制造中非常常見,往往各個工藝都會產(chǎn)生殘余應力。不過,從本質(zhì)上講,產(chǎn)生殘余應力的原因可以歸結(jié)成三類:
***類,不均勻的塑性變形;第二類,不均勻的溫度變化;第三類,不均勻的相變。
2.殘余應力的危害
從殘余應力的分類可以看出,殘余應力會引起物體緩慢變形,導致物體尺寸的改變,導致機械加工工件尺寸不合格,儀器生產(chǎn)中導致整臺儀器喪失精度成為廢品,鑄造鍛造工件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂,同時對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命等,也有著十分重要的影響。
鑄件在冷卻的過程中,由于工藝的不合理導致冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余熱應力導致鑄件斷裂。
熱處理的淬火過程中,過冷奧氏體進行馬氏體轉(zhuǎn)變時容易導致材料斷裂
3.殘余應力的測量
對于殘余應力的測量,從大類上可以分為機械法、化學法和X射線法三種。
機械法
機械法中***為常見的是鉆孔法(也稱盲孔法),操作時從物體上截取一段長度為其直徑3倍的棒材(或管材),在其中心鉆一通孔,然后用膛桿或鉆頭從內(nèi)部逐次去除一薄層金屬,每次去除約5%的斷面積,去除后測量試樣長度的延伸率和直徑的延伸率。
繪制這些數(shù)值與鉆孔剖面積的關系曲線,用作圖法求出曲線上任意一點的導數(shù),表征延伸率與鉆孔剖面的變化率,然后代入相應的應力公式即可得到殘余應力值。
化學法
化學法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當?shù)娜芤褐校瑴y量出自開始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經(jīng)過時間,按此經(jīng)過的時間來判斷殘余應力的大小,所用的溶液,對于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類,對于鋼可用弱堿及硝酸鹽類;另一種想法是將試樣吊浸在適當?shù)娜芤豪铮粢欢〞r間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經(jīng)過時間的關系曲線,與標準曲線相比較,以判定殘余應力的大小,所得到的曲線的位置比標準曲線越高,則表示物體內(nèi)的殘余應力越大。
X射線法
X射線法可利用X射線穿透金屬件,其中勞埃法是通過干擾斑點形狀的變化來定性地確定殘余應力。
當無殘余應力存在時,各干擾斑點呈點狀分布。有殘余應力時,各干擾斑點伸長,呈“星芒”狀。
德拜法可以定量地測出所存在的殘余應力,具體可以根據(jù)德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強度的變化來確定。
總結(jié)一下,機械法和化學法是有損測試方法,需要對待測物體局部取樣,而且測試后損壞不可逆;X射線法是一種無損測試方法,可保持物體的完整性。機械法能夠較為精確地確定殘余應力的大小和分布,一般適用于棒形或管形的物體;化學法適用于金屬絲、薄片類型的物體,但化學法只能進行定性判斷,很難做到定量描述;X射線法雖然是一種“非破壞性”的方法,但此方法僅適用于能夠給出較清晰敏銳的衍射線條的某些材料,并由于X射線的投射能力較小,只能探明物體接近表面部分的情況。
4.殘余應力的消除
既然殘余應力危害這么多,那么行之有效的消除方法就顯得十分必要了。消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動時效和機械處理四種方法。
熱處理法
熱處理就是利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力,一般采用退火、回火等方式進行處理。
靜載荷加壓,就是使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形來調(diào)整工件的殘余應力。例如大型壓力容器,在焊接之后,在其內(nèi)部加壓,即所謂的“脹形”,使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形,以減小焊接殘余應力。
振動時效,英文叫做Vibration Stress Relief,簡稱VSR。振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內(nèi)部殘余內(nèi)應力的方法,是通過振動,使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候,使材料發(fā)生微量的塑性變形,從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應力得以松弛和減輕。
機械處理,就是利用物體表面產(chǎn)生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力,包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘余應力。
來源:材易通