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1、第二章 残余应力2.1残余应力分类在各种金属构件加工制造过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力。生产过程中应力产生主要工艺分为：铸造残余应力、焊接残余应力、压力加工残余应力、切削加工残余应力、热处理残余应力、镀层残余应力、表面硬化处理残余应力、校直残余应力等。2.2残余应力的产生各种机械加工一如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内部出现不同程度的残余应力。从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类：1. 由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。2. 由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。3. 由于装配公差产生的残余应力。此外还有化学变
2、化等多种原因都可产生残余应力。由于产生残余应力的原因不同，因此构建内残余应力的分布和良知也不相同。某点的最终残余应力的量值，是由各种原因产生的残余应力的综合值。现将产生残余应力的几种主要原因的力学模型分述如下。一、 机械加工引起的残余应力这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拨、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。二、 温度不均匀引起的残余应力大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹
3、性的转变。以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800以上。加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性弹性转变温度区间700-400，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。2.3残余应力对金属构件的影响残余应力的存在对金属工件的强度疲劳寿命结构变形等方面的影响都是很大的，因此在结构设计中必须予以考虑。2.31残余应力对疲劳寿命的影响人们很早就已经知道：当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度会有所提高，而存在拉伸残余应力
4、时，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，人们首先考虑的是如何来改变这种应力分布以提高疲劳寿命，这就是调整残余应力问题，这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的，后者考虑的是如何降低或消除残余应力以保证变形的稳定性。实际上，残余应力对疲劳的影响因条件和环境的不同而改变。他与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响是既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变盈利水平，较大的影
5、响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂纹。这些影响比起对静强度的影响来说，在实用上将更为重要。2.32残余应力对构件变形的影响残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时，作用应力与残余应力相互作用，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分析，当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显的影响着加工后的构件的精度。这也是机械和工程部门最关心的问题之一。实践已证明，具有表面拉伸残余应力的构件其尺寸稳定性远远不如具有表面压缩残余应力的构件尺寸稳定性好。残余应力对构件变形的影响包括两个
6、方面，一方面是构件抗静、动荷载的变形能力，另一方面是荷载卸除后变形的恢复能力。残余应力在这两个方面对构建的影响是很大的，因此人们一直在研究消除这些影响的有效方法。2.33残余应力对金属脆性破坏的影响脆性破坏是构建在几乎不存在塑性变形情况下的突然开裂。它在温度突然下降或变形速度突然上升的情况下最易发生。这是塑性变形处于压抑状态，如在突然受到较大的作用应力等原因，就易于发生存型断裂破坏。残余应力是作为初始应力存在于构件内，特别是拉伸残余应力与作用拉应力叠加而加速了脆性破坏。有关文献中做了残余应力对脆性破坏的影响实验，吧7691cm、厚2cm的软钢板对焊起来。在焊缝处沿结合方向的残余应力是接近焊接金
7、属屈服极限的拉应力。将焊好的试件的一部分作退货处理以消除焊接应力，再与未经退火处理的试件一起放在-13下冷却，发现经退火处理的时间未出现裂纹，而没退火的试件即使在无外力作用下也出现了脆性裂纹。分析其原因是在温度的快速下降时，材料塑性下降所引起的脆性破坏。有关文献中也给出类似的实验，并得出结论：残余应力与开裂有直接关系，且产生的裂纹全都是存在于拉伸残余应力范围内。可见残余应力不仅直接影响到裂纹的扩展，而且降低了材料脆性破坏的作用应力的临界应力极限，加速了脆性破坏。残余应力产生的脆性破坏在焊接件中是极易发生的。某重型汽车厂生产的车价由于焊接裂纹而大批报废。某造船厂铸造的十几吨重的大型链轮箱，因开箱
8、温度过高而室温较低，壳体交角处从上至下出现断裂裂纹，裂纹速度发展很快。这些都说明在无外力作用下而产生的脆性破坏完全是由残余应力拉应力造成的结果。近些年来，国内外都在大量研究残余应力对裂纹的发生和扩展的影响。对标准试件施加定量的残余应力是比较困难的，因此该项研究受到较大的限制而进展不快。第三章 时效方法简介构件在冷热加工过程中，必然产生残余应力，因此消除残余应力的时效工序就十分必要了，凡是能降低残余应力，使工件尺寸精度稳定的方法都叫“时效”。主要方法有热时效、自然时效、振动时效、静态过载时效、热冲击时效等。后两种方法应用少不再讲述。3.1自然时效自然时效是较古老的时效方法。它是把构件露天放置于室
9、外，经过几个月至几年的风吹.日晒.雨淋和季节温度的变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置石墨尖端及其它线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。3.2热时效 热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550左
10、右，保温48小时，再严格控制降温速度至150以下出炉。热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度差不大于25，升温速度不大于50/小时，降温速度不大于20/小时。炉内最高温度不许超过570，保温时间也不易过长，如果温度高于570，保温时间过长会引起石墨化使构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。 降温速度对消除残余应力的影响
11、降低温度速度 /小时 残余应力消除的百分数（%） 130627 504050 306085注：炉内温度差不大于25热时效存在的问题： 建窑占地面积大，费用高（每立方米11.2万元）。 热时效能耗高，生产成本高。 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果序号工件在炉内的位置残余应力的大小（kgf /mm）残余应力消除的百分比（%）时效前 时效后 1 2 1 2 1 2平 均1炉后端10.47.96.66.236.721.429.12炉中部10.47.95.11.651.279.665.43炉门处10.47.99.18.112.6-2.45.1可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。4)热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。3.3振动时效： 3.振动时效，在国外称之为“VSR”技术，它是在激振器的周期性外力（激振力 ）的作用下，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。
