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1、残余应力的产生和时效方法作者:不详 来源:湖北安全生产信息网 发布时间:2007-3-27 19:55:42减小字体 增大字体轻轻一点,立刻拥有一本安全工具书! 收藏本篇文章,方便以后查看金属构件(铸件.锻件.焊接件)在冷热加工过程中产生残余应力,高者在屈服极限附近 构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用;如降低构件的实际强度.降低疲劳极限.造 成应力腐蚀和脆性断裂,由于残余应力的松弛,使零件产生变形,大大的影响了构件的尺寸 精度。因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。 一.残余应力的产生 1.铸造应力的产生 (1)热应力 铸件各部分的薄厚是不一样的,如机床床身导轨部分很厚,侧壁.筋板
2、部分较薄,其横 向端面如图一所示。铸后,薄壁部分冷却速度快收缩大,而厚壁部分,冷却速度慢,收缩的 小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍,所以薄壁部分受拉力,厚壁部分受压力。因纵向 收缩差大,因而产生的拉压也大。这时铸件的温度高,薄厚壁都处于塑性状态,其压应力使 厚壁部分变粗,拉应力使薄壁部分变薄,拉压应力 ,随塑性变形而消失。 铸件逐渐冷却,当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时,压应力使厚壁部 分产生塑性变形,继续变粗,而薄壁部分只是弹性拉长,这时拉压应力随厚壁部分变粗而消 失。铸件仍继续冷却,当薄厚壁部分进入弹性区时,由于厚壁部分温度高,收缩量大。但薄 壁部分阻止厚壁部分收缩,故薄壁
3、受压应力,厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作 用一直持续到室温,结果在常温下厚壁部分受拉应力,薄壁部分受压应力。这个应力是由于 各部分薄厚不同。冷却速度不同,塑性变形不均匀而产生的,叫热应力。 在导轨或侧壁的同一个截面内,表层与内心部,由于冷却快慢不同,也产生相互平衡 拉压的应力,用类似与上述方法分析,可知在室温下表层受压应力,心部受拉应力,并且截 面越大,应力越大,此应力也叫热应力。 (2)相变应力 常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%,属于亚共晶铸铁,由结晶 过程可知:厚壁部分在 1153共晶结晶时,析出共晶石墨,产生体积 膨胀 ,薄壁部分阻碍 其膨张,厚壁部分受 压应力,薄壁部分受拉
4、应力,薄辟部分受拉应力。厚壁部分因温度高,降温速度快,收缩快, 所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738)前的收缩中,薄厚壁均处 于朔形状态,应力虽然不段产生? 但又不断被塑性变性所松弛,应力并不大。当降到738 时,铸铁发生共析转变,由面心立方,变为体心立方结构(既 -Fe 变为 a-Fe) ,比容由 0.124cm3/g 增大到0.127cm3/g2。同时有共析石墨析出,使厚壁部分伸入,产生压应力。上 述的两种应力,是在1153 和738两次相变而产生的,叫相变应力。相变应力与冷却过程 中产生的热应力方向相反? 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后,不在产生相变些力, 因此
5、铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起去起主要作用。 (3)收缩应力(亦叫机械阻碍应力): 铸件在固态收缩时,因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。 由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后,型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的 的塑性变形,产生残余应力。收缩应力一般不大,多在打箱后消失。 (4)残余应力的分类残余应力的分类有许多种,如: a)按应力产生的原因,有热应力.相变应力.收缩应力。详细内容如上所述。 b)按应力方向分有拉应力(力的方向向背的应力) ,压应力(力的方向相同的应力) 。 c)按影响区域的大小分有: 第一类应力,亦叫宏观应力。它是存在与整个体积或较
6、大尺寸范围内并保持平衡的应 力? 如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧臂分布的压应力等。 第二类应力,亦叫微观应力。它是存在与一个晶粒或几个晶粒内,并保持平衡的应力。例如:晶粒1.2.3.4.5同处拉应力的应力场中,应力大小为 。从金属物理可知:各个 晶粒所受的切应力与取向因子成正比。假设晶粒1的取向因子最大,则晶粒1切应力最大? 若 此切应力略大于临界内应力,则晶粒1产生塑性变性。其与个晶粒处于弹性状态。 当应力 除掉后,晶粒2.3.4.5均为回复到原状态,但晶粒1产生塑性伸长,不能恢复到 原状态, 阻碍2.3.4.5晶粒回复,结果晶粒1受拉应力。其余各晶粒受拉应力。这种在几 个晶粒间存
7、在并保持平衡的应力,称为第二类残余应力。 第三类应力,亦叫超微观应力。它是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应 力。 例如,间隙原子与溶剂原子间存在的应力。 d)按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为: 临时应力,所产生应力的条件消失后,应力也随之消失。 残余应力,亦叫残留应力或内应力。产生应力的条件消失后,应力依然存在于工件不 同 部位的应力叫残余应力。如热应力.相变内力.收缩应力等,都是残余应力。 上述分类法,亦适用于焊接件.锻件等。 2.焊接应力的产生: 焊接中.焊缝处温度迅速升高,体积膨胀。热影响区温度低,阻碍焊 缝膨胀,结果焊 缝处产生压应力,热影响区产生拉应力。热影响区产生
8、拉应力。但此 时焊缝处于塑性状态, 焊缝被压应力墩粗,松弛了此应力。 焊后冷却后,热影响区冷却速度快,很快进入弹性状态,焊缝处温度高,处于塑性状 态。这是焊缝收缩,较热影响区收缩慢,焊缝阻碍热影响区收缩,焊缝仍受压应力,影响区 受拉应力。但焊缝处于塑性状态,焊缝的塑性墩粗,松弛了此应力。 热影响区温度不断降低,冷却速度也变慢,当焊缝的冷却速度高于热影响区时,焊 缝 收缩较快,焊缝的收缩受到热影响区阻碍,应力方向发生了转变:焊缝受拉应力,热 影响 区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时,因焊缝温度高,冷却速度快, 收缩量 大,热影响温度低,冷却速度低,收缩量小,焊缝收缩受到热影响区阻碍,结果 焊缝受拉 应力,热影响区受压应力。此时没有塑性变形,这一对压应力,随着温度的降 低,焊缝收 缩受阻碍越来越大,拉应力也越来越大,直至室温,拉应力可近似于屈服极 限。 综上所述,铸造.锻造.焊接等都必然产生残余应力。焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈 服 点的拉应力。而铸铁件由于石墨尖端的松弛,残余应力不高,其铸造应力范围列与表一。