殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

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金屬構(gòu)件（鑄件.鍛件.焊接件）在冷熱加工過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，高者在屈服極限附近構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的有害作用；如降低構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度.降低疲勞極限.造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使零件產(chǎn)生不變形，大大的影響了構(gòu)件的尺寸精度。因此降低和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力就十分必要了。一.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 1.鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生 （1）熱應(yīng)力 鑄件各部分的薄厚是不一樣的，如機(jī)床床身導(dǎo)軌部分很厚，側(cè)壁.筋板部分較薄，其橫向端面如圖一所示。鑄后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮的小。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(chǎn)生的拉壓也大。這時(shí)鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)，其壓應(yīng)力使厚壁部分變粗，拉應(yīng)力使薄壁部分變薄，拉壓應(yīng)力，隨塑性不變形而消失。 鑄件逐漸冷卻，當(dāng)薄壁部分進(jìn)入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時(shí)，壓應(yīng)力使厚壁部分產(chǎn)生塑性不變形，繼續(xù)變粗，而薄壁部分只是彈性拉長(zhǎng)，這時(shí)拉壓應(yīng)力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續(xù)冷卻，當(dāng)薄厚壁部分進(jìn)入彈性區(qū)時(shí)，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(yīng)力，厚壁受拉應(yīng)力。應(yīng)力方向發(fā)生了變化。這種作用一直持續(xù)到室溫，結(jié)果在常溫下厚壁部分受拉應(yīng)力，薄壁部分受壓應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性不變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應(yīng)力。 在導(dǎo)軌或側(cè)壁的同一個(gè)截面內(nèi)，表層與內(nèi)心部，由于冷卻快慢不同，也產(chǎn)生相互平衡拉壓的應(yīng)力，用類似與上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力，并且截面越大，應(yīng)力越大，此應(yīng)力也叫熱應(yīng)力。 (2)相變應(yīng)力 常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，由結(jié)晶 過程可知①：厚壁部分在1153℃共晶結(jié)晶時(shí)，析出共晶石墨，產(chǎn)生體積 膨脹 ，薄壁部分阻礙 其膨張，厚壁部分受壓應(yīng)力，薄壁部分受拉應(yīng)力，薄辟部分受拉應(yīng)力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變?yōu)槭芾瓚?yīng)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(tài)，應(yīng)力雖然不段產(chǎn)生? 但又不斷被塑性變性所松弛，應(yīng)力并不大。當(dāng)降到738℃時(shí)，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由面心立方，變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)(既γ-Fe變?yōu)閍-Fe），比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。同時(shí)有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應(yīng)力。上述的兩種應(yīng)力，是在1153℃ 和738℃兩次相變而產(chǎn)生的，叫相變應(yīng)力。相變應(yīng)力與冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力方向相反? 相變應(yīng)力被熱應(yīng)力抵消。在共析轉(zhuǎn)變以后，不在產(chǎn)生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應(yīng)力起去起主要作用。 (3)收縮應(yīng)力（亦叫機(jī)械阻礙應(yīng)力）： 鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型.型芯.澆冒口等的阻礙作用而產(chǎn)生的應(yīng)力叫收縮應(yīng)力。由于各部分由塑性到彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變有先有后，型芯等對(duì)收縮的阻力將在鑄件內(nèi)造成不均勻的的塑性不變形，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。收縮應(yīng)力一般不大，多在打箱后消失。 (4)殘余應(yīng)力的分類殘余應(yīng)力的分類有許多種③，如： a)按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，有熱應(yīng)力.相變應(yīng)力.收縮應(yīng)力。詳細(xì)內(nèi)容如上所述。 b)按應(yīng)力方向分有拉應(yīng)力（力的方向向背的應(yīng)力），壓應(yīng)力（力的方向相同的應(yīng)力）。 c)按影響區(qū)域的大小分有： 第一類應(yīng)力，亦叫宏觀應(yīng)力。它是存在與整個(gè)體積或較大尺寸范圍內(nèi)并保持平衡的應(yīng)力? 如沿機(jī)床床身導(dǎo)軌縱向分布的拉應(yīng)力和沿側(cè)臂分布的壓應(yīng)力等。 第二類應(yīng)力，亦叫微觀應(yīng)力。它是存在與一個(gè)晶粒或幾個(gè)晶粒內(nèi)，并保持平衡的應(yīng)力。 例如：晶粒1.2.3.4.5同處拉應(yīng)力的應(yīng)力場(chǎng)中，應(yīng)力大小為σ。從金屬物理④可知：各個(gè) 晶粒所受的切應(yīng)力與取向因子成正比。假設(shè)晶粒1的取向因子大，則晶粒1切應(yīng)力大? 若此切應(yīng)力略大于臨界內(nèi)應(yīng)力，則晶粒1產(chǎn)生塑性變性。其與個(gè)晶粒處于彈性狀態(tài)。 當(dāng)應(yīng)力σ除掉后，晶粒2.3.4.5均為回復(fù)到原狀態(tài)，但晶粒1產(chǎn)生塑性伸長(zhǎng)，不能恢復(fù)到 原狀態(tài)，阻礙2.3.4.5晶?；貜?fù)，結(jié)果晶粒1受拉應(yīng)力。其余各晶粒受拉應(yīng)力。這種在幾 個(gè)晶粒間存在并保持平衡的應(yīng)力，稱為第二類殘余應(yīng)力。 第三類應(yīng)力，亦叫超微觀應(yīng)力。它是存在與幾個(gè)原子或幾千個(gè)原子內(nèi)并保持平衡的應(yīng)力。 例如，間隙原子與溶劑原子間存在的應(yīng)力。 d)按應(yīng)力在工件中存在和作用的時(shí)間長(zhǎng)短可分為： 臨時(shí)應(yīng)力，所產(chǎn)生應(yīng)力的條件消失后，應(yīng)力也隨之消失。 殘余應(yīng)力，亦叫殘留應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生應(yīng)力的條件消失后，應(yīng)力依然存在于工件不同 部位的應(yīng)力叫殘余應(yīng)力。如熱應(yīng)力.相變內(nèi)力.收縮應(yīng)力等，都是殘余應(yīng)力。 上述分類法，亦適用于焊接件.鍛件等。 2.焊接應(yīng)力的產(chǎn)生： 焊接中.焊縫處溫度迅速升高，體積膨脹。熱影響區(qū)溫度低，阻礙焊縫膨脹，結(jié)果焊縫處產(chǎn)生壓應(yīng)力，熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。但此 時(shí)焊縫處于塑性狀態(tài)，焊縫被壓應(yīng)力墩粗，松弛了此應(yīng)力。焊后冷卻后，熱影響區(qū)冷卻速度快，很快進(jìn)入彈性狀態(tài)，焊縫處溫度高，處于塑性狀態(tài)。這是焊縫收縮，較熱影響區(qū)收縮慢，焊縫阻礙熱影響區(qū)收縮，焊縫仍受壓應(yīng)力，影響區(qū)受拉應(yīng)力。但焊縫處于塑性狀態(tài)，焊縫的塑性墩粗，松弛了此應(yīng)力。熱影響區(qū)溫度不斷降低，冷卻速度也變慢，當(dāng)焊縫的冷卻速度高于熱影響區(qū)時(shí)，焊 縫收縮較快，焊縫的收縮受到熱影響區(qū)阻礙，應(yīng)力方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變：焊縫受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)都進(jìn)入彈性狀態(tài)時(shí)，因焊縫溫度高，冷卻速度快， 收縮量大，熱影響溫度低，冷卻速度低，收縮量小，焊縫收縮受到熱影響區(qū)阻礙，結(jié)果 焊縫受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。此時(shí)沒有塑性不變形，這一對(duì)壓應(yīng)力，隨著溫度的降低，焊縫收縮受阻礙越來越大，拉應(yīng)力也越來越大，直至室溫，拉應(yīng)力可近似于屈服極 限。 綜上所述，鑄造.鍛造.焊接等都必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊件沿焊縫縱向分布著近似于屈服點(diǎn)的拉應(yīng)力。而鑄鐵件由于石墨尖端的松弛，殘余應(yīng)力不高，其鑄造應(yīng)力范圍列與表一。

各種鑄鐵件的鑄造應(yīng)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(yīng)力 52.3 106.3 127-137.3 180

二.時(shí)效方法簡(jiǎn)介構(gòu)件在冷熱加工過程中，必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此消除殘余應(yīng)力的時(shí)效工序就十分必要了。凡是能降低殘余應(yīng)力，使工件尺寸精度穩(wěn)定的方法都叫"時(shí)效"。時(shí)效方法有：熱時(shí)效.振動(dòng)時(shí)效.自然時(shí)效.靜態(tài)過載時(shí)效.沖擊時(shí)效等。后兩種方法應(yīng)用少不再講述。1.自然時(shí)效自然時(shí)效是古老的時(shí)效方法。它是把構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過幾個(gè)月至幾年的風(fēng)吹. 日曬.雨淋.和季節(jié)的溫度變化，給構(gòu)件多次造成反復(fù)的溫度應(yīng)力。再溫度應(yīng)力形成的過載下，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。自然時(shí)效降低的殘余應(yīng)力不大，但對(duì)工件尺寸穩(wěn)定性很好，原因是工件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的放置，石墨尖端及其他線缺陷尖端附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生了塑性不變形，松弛了應(yīng)力，同時(shí)也強(qiáng)化了這部分基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗不變形能力，自然時(shí)效降低了少量殘余應(yīng)力，卻提高了構(gòu)件的松弛剛度，對(duì)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性較好，方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(zhǎng).占用場(chǎng)地大，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，已逐漸被淘汰。2.熱時(shí)效熱時(shí)效是將構(gòu)件由室溫緩慢.均勻加熱至550℃左右，保溫4-8小時(shí)，再嚴(yán)格控制降溫速度至150℃以下出爐。 熱時(shí)效工藝要求是嚴(yán)格的，如要求爐內(nèi)溫差不大于±25℃，升溫速度不大于50℃/小時(shí)，降溫速度不大于20℃/小時(shí)。爐內(nèi)高溫度不許超過570℃，保溫時(shí)間也不易過長(zhǎng)，如果溫度高于570℃，保溫時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)引起石墨化，構(gòu)件強(qiáng)度降低。如果升溫速度過快，構(gòu)件在升溫中薄壁處升溫速度比厚壁處快的多，構(gòu)件各部分的溫差急劇增大，會(huì)造成附加溫度應(yīng)力。如果附加應(yīng)力與構(gòu)件本身的殘余應(yīng)力疊加超過強(qiáng)度極限，就會(huì)造成構(gòu)件開裂。 熱時(shí)效如果降溫不當(dāng)，會(huì)使時(shí)效效果大為降低，甚至產(chǎn)生與原殘余應(yīng)力相同的溫度應(yīng)力（二次應(yīng)力），并殘留在構(gòu)件中，從而破壞了已取得的熱時(shí)效效果。降溫速度對(duì)消除殘余應(yīng)力的影響降低溫度速度℃/小時(shí) 殘余應(yīng)力消除的百分?jǐn)?shù)（%） 130 6-27 50 40-50 30 50-80 注：爐內(nèi)溫度差不大于25℃熱時(shí)效存在的問題：1） 建窯占地面積大，費(fèi)用高（每立方米1-1.2萬元）。2） 熱時(shí)效能耗高，生產(chǎn)成本高。3） 熱時(shí)效爐內(nèi)溫度不均勻，升降溫速度無法嚴(yán)格控制。熱時(shí)效工件在爐內(nèi)不同位置消除應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果序號(hào)工件在爐 殘余應(yīng)力的大小 （kgf/mm2） 內(nèi)的位置 時(shí)效前 時(shí)效后 應(yīng)力消除的百分比（ % ） σ1 σ2 σ1 σ2 σ1 σ2 σ1σ2平均1爐前段 10.4 7.9 6.6 6.236.7 21.4 29.12爐中部 10.4 7.9 5.1 1.651.2 79.6 65.43爐門處 10.4 7.9 9.1 8.112.6 -2.4 5.1 可見：同一爐內(nèi)，熱時(shí)效消除應(yīng)力不均勻。4） 熱時(shí)效勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重，目前大部已被振動(dòng)時(shí)效代替。 三.振動(dòng)時(shí)效振動(dòng)時(shí)效是"錘擊松弛法"（敲擊時(shí)效）的發(fā)展?？捎媚惧N.橡皮錘.紫銅錘等，敲構(gòu)件的合適部位，可激起構(gòu)件共振。如用拾振器.測(cè)振儀和光線示波器可記錄下構(gòu)件作自由衰減振動(dòng)的振型。 其衰減振型的解析式為: X=Ae‐acosωt A: 敲擊后的振幅幅值。a:衰減系數(shù)。ω:構(gòu)件的固有頻率。t:時(shí)間 錘擊松弛法是給工件一個(gè)沖擊力，擊起工件的響應(yīng)，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的振幅作減幅振動(dòng)。敲擊后的初振幅大，在構(gòu)件內(nèi)引起的"振動(dòng)力"也大。這一振動(dòng)力 多次反復(fù)作用，當(dāng)它與殘余應(yīng)力迭加時(shí)，在應(yīng)力集中處超過材料的屈服極限σ.,引起局部塑性邊性不變形，松弛了應(yīng)力，使應(yīng)力峰值降低。 錘擊松弛法，是敲擊后的"大振幅" 對(duì)時(shí)效起作用。于是人們得到啟迪：為什么用一激振力，激起構(gòu)件的響應(yīng)，并在大振幅下持續(xù)振動(dòng)一定時(shí)間，使工件內(nèi)的"振動(dòng)力"與殘余應(yīng)力迭加，在應(yīng)力集中處引起塑性不變形而松弛應(yīng)力？在此思想下產(chǎn)生了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。 振動(dòng)時(shí)效，在國(guó)外稱之為"V.S.R"技術(shù)，它是Vibratory Stress Reliele的縮寫。它 是在激振器的周期性外力（激振力 ）的作用下，使構(gòu)件共振，進(jìn)而松弛殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的方法。振動(dòng)時(shí)效是熱時(shí)效的補(bǔ)充和發(fā)展，可在很大范圍內(nèi)代替熱時(shí)效。原機(jī)電部等六個(gè)部委將振動(dòng)時(shí)效定為第七個(gè)五年計(jì)化間推廣的節(jié)能項(xiàng)目，并將此類產(chǎn)品定位替代進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)家環(huán)保總局將振動(dòng)時(shí)效裝置定為節(jié)能產(chǎn)品。

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