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殘余應(yīng)力的測量

返回列表來源:天氏庫力 發(fā)布日期 2022-12-20 瀏覽:

1.什么是殘余應(yīng)力
首先來一段官方的定義:殘余應(yīng)力(Resudual 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(dāng)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(yīng)力。
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(yīng)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(dǎo)致物體內(nèi)部發(fā)生變形,因而積累一部分能量,當(dāng)外力消除后,內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的能量要進行釋放,如果物體的脆性地,則物體會緩慢變形,脆性高則形成裂紋。

 
殘余應(yīng)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(yīng)力。不過,從本質(zhì)上講,產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)成三類:
第一類: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(yīng)力的危害
從殘余應(yīng)力的分類可以看出,殘余應(yīng)力會引起物體緩慢變形,導(dǎo)致物體尺寸的改變,導(dǎo)致物體尺寸的改變,導(dǎo)致機械加工工件尺寸不合格,儀器生產(chǎn)中導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)致冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致鑄件斷裂。

 

鑄件冷卻時斷裂
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(dǎo)致材料斷裂。

淬火過程金屬斷裂
 
殘余應(yīng)力的測量
對于殘余應(yīng)力的測量,從大類上可以分為機械法、化學(xué)法和X射線法三種。

1.機械法
機械法中最為常見的鉆孔法(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(guān)系曲線,用作圖法求出曲線上任意一點的到處,表征延伸率與鉆孔剖面的變化率,然后代入相應(yīng)的應(yīng)力公式即可得到殘余應(yīng)力值。

化學(xué)法
化學(xué)法有兩種思想。一種想法是將試樣浸入到適當(dāng)?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(yīng)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(dāng)?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(guān)系曲線,與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較,以判定其殘余應(yīng)力的大小,所得到的曲線的位置比標(biāo)準(zhǔn)曲線越高。則表示物體內(nèi)的殘余應(yīng)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(yīng)力。

 


當(dāng)無殘余應(yīng)力存在時,各干擾斑點呈點狀分布。有殘余應(yīng)力時,各干擾斑點伸長,呈“星芒”狀。
 

(a)無殘余應(yīng)力  (b)殘余應(yīng)力存在
 
德拜法可以定量地測出所存在的殘余應(yīng)力,具體可根據(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)以下,機械法和化學(xué)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的確定殘余應(yīng)力的大小和分布,一般適用于棒形和管形的物體。化學(xué)法適用于金屬絲、薄片類型的物體,但化學(xué)法只能進行定性判斷,很難做到定量描述。X射線雖然是一種“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,智能探明物體接近表面部分的情況。

殘余應(yīng)力的消除

既然殘余應(yīng)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(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力,一般采用退火、回火等方式進行處理。

 熱處理之退火處理
 
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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的方法,是通過振動,使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力和附加的振動應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力。


 

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