工件中残余应力的形式,产生原因、测试方法总结1.docx
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1、残余应力基础知识一、基本概念 1.1应力残余应力是在无外力的作用时,以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下, 当没有通过物体表面向物体内部传递应力时,在物体内部保持平衡的应力系称为固有应力或 初始应力。热应力(Thermal stress)和残余应力(Residual stress)是固有应力的一种。而固有应 力也被一些研究者称为内应力。通常说来,物体的内力是指物体内部质点之间的相互作用力,在物体没有受到外力作用 时它就存在着的。就是是这种内力,使物体各个部分紧密相连,并保持一定的几何形状。通 常我们关心的不是内力的大小,而是构件中所承受内力最严重的所谓“危险点”。为了描述 截面上各点
2、承受内力的程度,以及内力在截面上的分布状况,引入内力集度(即应力)的概念。 如图2.1所示,设在受力物体内某一截面m-m上任取一点K,围绕K点取为面积A A,若在A A上作用的内力为AP,则在A A上的内力平均集度为:(1)八 APP =m AA图2.1应力概念示意图P/尔为作用在A A上的平均全应力。如果所取微面积A A越小,则P*越能准确表示K点所受内力的密集程度。当A A趋于0时,其极限值定义为K点的全应力(Total stress), 即(2)A PdPP = lim =A A 0 AAdA全应力p是一个矢量。为了研究问题的方便,常把全应力p分解为垂直于截面m-m的 分量。和相切于截面
3、m-m的分量T。称为法向应力或正应力,t称为切向应力或剪应力。1.2内应力概念、原理由于物体是由无数质点组成的,因此,在未受外力作用时,内部各质点间就已存在着相 互作用的力,它使各质点处于相对平衡状态,从而物体才能保持一定的形状,这种力称为物 体的固有内力,即自然状态粒子结合力。固有应力也被一些研究者成为内应力(Internal stress)。内应力是指产生应力的各种因素不复存在时(如外力已去除、加工已完成、温度 已均匀、相变已停止等),由于不均匀的塑性变形或相变而使材料内部依然存在并自身保持 平衡的应力。90年代在我国普遍采用的关于内应力的分类方法是前苏联学者H.H.达维金科夫于 1935
4、年提出的。其核心依据是各类内应力对晶体X射线衍射现象具有不同的影响。即在宏 观尺寸范围内平衡的第I类内应力引起X射线衍射谱的位移;在晶粒尺寸范围内平衡的第II 类内应力使谱线展宽;在单位晶胞内平衡的第III类内应力使衍射强度下降。至于这三类内应 力相互之间存在什么样的关系,定义没有说清楚。然而,1951年有人证明了第11类内应力 也会引起X射线衍射线的位移。稍后的研究发现,(a +8 )两相黄铜经3%的拉伸后,a相 晶粒具有压应力、8相晶粒则具有张应力。对于两相材料,如果过用X射线衍射的方法对其 中某一相进行第I类内应力的测定,沿全截面应力有不平衡的反常现象。故有人把X射线应 力测量时叠加在测
5、得的第I类内应力上的第II类内应力称为“伪宏观应力”。针对残余应力概念的混乱情况和上述异常现象,德国学者E.马赫劳赫(E.Macherauch) 于1973年对材料中的内应力重新进行了分类并逐渐得到世界其他国家的赞同。该分类方法 把材料中的内应力分为三类:第I类内应力(记为气i)在较大材料区域范围(很多个晶粒范围)内几乎是均匀的, 与ori相关的内力在横贯物体的每个截面上处于平衡。与ori相关的内力矩相对于每个轴也 相互抵消。由于气i而存在的内力或内力矩平衡遭到破坏时会产生宏观的形状或尺寸变化。第II类内应力(记为orn)在材料较小的范围(一个晶粒或晶内区域)近乎均匀,与 气i相联系的内力或内
6、力矩在足够多的晶粒中是平衡的。其作用范围与晶粒尺寸相当,即在 晶粒或亚晶粒之间保持平衡。当这种平衡遭到破坏时也会出现尺寸变化。它是由于晶粒或 者亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。这种内应力有时可达到很大的数值,甚至可能造成显 微裂纹并导致工件破坏。变形金属中储存能得绝大部分(80%-90%)用于形成点阵畸变。这 部分能量提高了变性感晶体的能量,使之处于热力学不稳定状态。有人把X射线应力测定 时叠加在测得的第I类内应力上的第II类内应力称为“伪宏观应力”(Pseudo-macrostress, 因为它在X射线衍射中能像宏观应力那样使衍射线位移,却又不像宏观应力那样在释放时 产生宏观应变,而且用机械
7、法测量时又测不出来)。可理解为各个晶粒或晶粒区域之间变形 的不协调性。我国科技文献习惯把这种应力称为“微观应力”。第III类内应力(记为气田),又称点阵畸变。它是由于工件在塑性变形中形成的大量 点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的。在极小的材料区域(几个原子间距)也是不均匀的,与1相联系的内力或内力矩在小范围(一个晶粒的足够大的部分)是平衡的。 r当这种平衡破坏时,一般认为不会产生尺寸的变化。在上述定义中所谓“均匀”意味着在大小和方向上是一定的3。表2.1残余应力的分类领域的长度(mm)残余应力10110-110-210-310-410-510-6不均匀的外部第一类载荷引起的应力第二类结
8、构的残余应力Heyn应力第三类晶体内的不均匀残余应力国内工程界往往将上述第一类内应力称为残余应力;把第II类内应力称为“微观应力”。 而第III类内应力的名称尚未统一,如有的称“晶格畸变应力”,有的称“超微观应力,。有时 按德国的习惯内应力又进一步分为四类。例如表2.1所示的L.Reimer的分类。表中第二类 结构应力是组织内部的,相当于实际晶粒间以及组织内不同相之间的作用应力。而第三类是 各个晶粒内部存在的不均匀应力。第四类则相当于第三类应力的下面一段所示,即由位错和 各种晶内缺陷所形成的更微观的应力。图2.3显示了按此种分类的残余应力在实际组织内的 分布状况。A.Koch-endorfer
9、认为这些应力各有特点,首先第一类应力处在宏观范围内是常 数。第二类应力在微观领域内也是常数,只是在宏观的范围内往往是周期性的变化。第三类 应力在微观领域内也往往是周期性的变化3。由图可见,第I类内应力可理解为存在于各晶 粒内的数值不等的内应力在很多晶粒范围内的平均值,是较大体积宏观变形不协调的结果。 因此按照连续力学的观点,第I类内应力可看作与外在应力等效的应力。第II类内应力各个 晶粒尺度范围内范围(或晶粒区域)的内应力的平均值它们可归结为各个晶粒或晶粒区域之 间变形的不协调性。第I类内应力是局部存在的内应力围绕着各个晶粒的第II类内应力值的 波动。第二类内应力是是一个中间环节,它将第一类内
10、应力和第三类内应力联系起来,构成一个完整的内应力系统。1图2.3第一类、第二类及第三类残余应力的一例在图中,(x,y)处的总的内应力在y方向的分量。;在数量上是:bT 3, y) = ci (x, y) + 6i (x, y) + bin(x, y),r, yrrrci =(c df/J df )r多个晶粒其中g=(k df /J df )一个晶粒-Bc III = (c T c I c II)rr, yr r 在x,y点上马赫劳赫这种关于内应力的定义明确了各类内应力之间的关系。特别是将晶粒大小作为 最重要的描述内应力影响区域的材料特征尺寸,使得内应力与材料的组织结构有了更为紧密 的联系。从而
11、有利于人们对内应力及其对材料性能影响的认识。在一般的英、美文献中把第 I类内应力称为“宏观应力”(Macrostress),而对第II类和第I内应力称为“微观应力” (Microstress)的概念。通过下列式子可以把这些概念对应起来。c macro = cirrc micro =cll 或 cnrrrZ cmicro =cll +cI =cT -cirr r r r这种有关三类内应力的定义同样适用于多相多晶体材料。c是跨越了相当大的材料区 域并与相组分无关,以c;A和ciB分别表示材料中A、B两相的各个晶粒中的第II类内应 力。它们相当于A相与B相中的第第I内应力cin凡与cill B在各个
12、晶粒(或晶粒区域)尺度 范围内的平均值。用机械方法可以测得试件某一区域纯粹的第I类内应力大小。但是若采用 X射线衍射方法测量,由于X射线束的选择性,测得的将是X射线束照射体积内相A和相 B特有的平均内应力气。A和气。B。它们的数值分别是第I类内应力与在X射线束照射体积内参与衍射的那些晶粒中的第1类内应力平均值叭及即b之和。即气a 气+ ,A v .厂+vk = 0b = bl + bll ,A r,A B r, B此外还可以证明,第II类内应力的平均值在各相间保持平衡,即V QII + V QII= 0式中V、和V为A相和B相的体积百分数。从上式可以看出b , A和b r, B在两相中的 A
13、B符号相反,而数值大小与相含量成反比。每个晶粒的第II类内应力值目前尚无法测定,用X 射线法并结合其它的方法可以测定多相材料中一定范围的第II类内应力的平均值。上述分类方法是按照残余应力相互影响范围的大小划分的,从产生的原因考虑课将其 分成两类。把与宏观应力相对应的叫做体积应力:(Body Stress),把与微观应力相对应的叫 做结构应力(Textural Stress),或者叫做同样意义的亚结构应力(Tesselated Stress)0体积应力 是由于物体受到来自外部机械的、热的或化学的不均匀作用所形成的。就是均质的材料也会 产生这种应力。但是结构应力却是由于组织结构不均匀性的内部原因造
14、成的。亦即其内部不 均匀时,尽管由外部施加到各部分的变形、加热或化学变化是一样的,也会产生残余应力。 在大多数情况下,宏观残余应力与微观残余应力总是同时存在的,产生第一类残余应力的 加工过程必须伴随第二、第三类残余应力的产生。二、残余应力产生的原因一般物体内部残余应力的产生过程可用图2.2说明。现在,从没有任何应力作用的物体 内部R区域内,切取图中所示之正方形A部分。接着将切下的A部分用任意的操作使之进 行体积变化和形状变化而成为B的形状。可以想象若将其再放入只区域内,使其成为c)所 示的那样,则需由侧面施加作用力使之变形,再如d)所示将它放到原先的R内。若将施加 的这个力释放时,结果则如e)
15、所示放入的部分和其周边部分要调整变形,并在该区域产生应 力场。这就是产生残余应力的状态。反之,如果测定出切取部分的变形量,即可推算出残余 应力。实际上残余应力的测定,就是将物体进行切槽或切取,使残余应力部分释放或全部释 放,用实验方法由释放时所产生的变形求出残余应力。根据与上例相同的原理,也可应用弹 性理论求出残余应力。回乡-邛b) is图2.2残余应力的产生示意图残余应力产生的原因,可分为因外部作用的外在原因,和来源于物体内部组织结构不均 匀的内在原因,如下所示。1. 不均匀变形不均匀的变形状态,是不均匀塑性变形产生的条件。外在原因:不均一的作用应力。例如弯曲、压延、拉拔等。内在原因:由于物
16、体内各部分组织的浓度差或晶粒的位向差等,各部分显示的不同的屈服行为。举例:对杆进行弯曲的情况,在杆上施加的弯曲应力超过材料的屈服强度时,横杆受 拉伸的一侧和受压缩的一侧均产生塑性变形,载荷除去后内部产生残余应力。图2.4(a)完全弹塑性体的应力和应变(b)均匀弯曲后杆的残余应力分布如图2.4(a)所示的材料为完全弹塑性体,现仅研究弯曲时杆受拉伸一侧的变形。设从中 性轴到距轴Xo处为弹性变形部分(参见图2.4(b),在Xo以外部分为塑性变形部分。除 去载荷时,从中性轴到Xo的部分,沿弹性线eo变形,而变形达到应变量的塑性变 形部分则沿着与弹性线eo相平行的fg线进行弹性回复变形。此时沿eo变形的
17、部分,在 其应变量回复到零时其应力亦回复到零。而沿fg变形回复部分,应力为零时还残留有应变og。因此,欲使应变恢复到零,应力值必须沿弹性线fgh变化到应力为负值的一侧。同理,就承受压缩一侧的变形来说也是同样的,此情况下应力状态只是与拉伸的情况相 反,结果载荷除去后,为保持杆内部应力的平衡就产生了如图2.4(b)所示的残余应力分布。(1) 热应力产生的塑性变形当加热、冷却过程中产生热应力时,由于高温下屈服强度低,在这种应力作用下易于产生塑性变形。外在原因:由于物体的几何形状不对称、复杂等等,加热冷却过程中各部分的热传 导状态不同,因而各邙分显示出温度差。内在原因:物体内务部分的弹性模量、导热系数
18、、热膨胀系数等不同,而且它们的 温度系数也不同。(2) 相变或沉淀析出引起的体积变化由于相变或沉淀析出在物体内部产生不均匀的体积变化时,则产生应力。外在原因:冷却时,各部分的冷却不均匀,冷却速度也不同。因而当出现有完全相变终了的部 分和相变尚来进行的部分寸,两者便显现出体积变化的差异。内在原因:在具有组织结构的浓度差时,则因相变和沉淀析出等,所引起的体积变 化的程度也不同。2. 化学变化几乎都是由外部的原因造成的。这时的残余应力是由于表面向内部传递的化学变化。三、内应力的测试、表征(手段)鉴于残余应力对零部件力学性能和尺寸稳定性的重大影响,在某些关键件的工艺标准 中规定了其残余应力水平。例如大
19、型汽车轮机转子锻件的技术条件中,规定允许存在的残 余应力水平不得超过材料屈服强度的8%。各工业发达国家都很重视残余应力测试技术的研 究,并取得了很多研究成果。欧洲最重要的残余应力会议The European Conference on Residual Stress(ECRS已举行了 7届,欧洲各国的残余应力工作者每次均十分踊跃地参加, 且特别重视X射线法、中子衍射法的研究,美国在X射线法、中子衍射法测量残余应力的 研究工作中取得了很大的成绩,日本也十分重视残余应力方面的研究。在我国,全国性的残 余应力学术交流会已举行多届,近年来相关的科研人员在典型构件的残余应力状态分析和测 试方法,在加工制
20、造工艺方面如何减少残余应力,以及降低残余应力对机械构件产生的不良 效应等方面都做了大量研究。从已发表的文献数量及我国人员参与国际会议的情况来看,我 国对残余应力的研究日益重视。随着我国工业技术的高速发展,由残余应力引起的问题将更 为突出,残余应力测试技术的应用研究将促进我国工业水平的进一步发展。残余应力的数值 分析也称为残余应力的定量预测,即利用数值计算方法,对构件的残余应力分布状况进行预 见性的定量分析,这是近几年研究课题的手段之一。目前,借助于有限元分析软件,数值模 拟计算和实验相结合成了残余应力测试技术研究的主要方法。根据测试方法对被测试件是否造成损坏,测试方法分为有损测试法和无损测试法
21、两大类。 前者以机械法为主,原理是利用机械加工的方法将零件的一部分除去,释放部分或全部残余 应力并造成相应的位移与应变。再在某些部位测量这些位移或应变,通过力学分析推算出原 始存在的残余应力。目前应用最多的是钻孔法、环芯法、取条法、剥层法等,在钻孔法中为 了降低构件因钻孔而受损伤的程度,可用盲孔法、浅盲孔法。无损测试残余应力的方法大多 属于物理方法。这些方法的原理是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应,建立起某 一物理量与残余应力(应变)间的关心,通过测定这一物理量推算出残余应力来。物理方法 中应用较多的是X射线衍射法,其它还有中子衍射法、磁性法和超声法。与其它方法相比,用X射线衍射法测定
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