結(jié)構(gòu)材料中的殘余應(yīng)力

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1、2結(jié)構(gòu)材料中的殘余應(yīng)力2.1殘余應(yīng)力的定義通常把沒有外力或外力矩作用而在物體內(nèi)部依然存在并保持自身平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力[3]。依據(jù)德國(guó)學(xué)者E.Macherauch于1973年提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力可以分為以下三類：第I類內(nèi)應(yīng)力（I）在較大的材料區(qū)域（多個(gè)晶粒范圍）內(nèi)幾乎是均勻的。第II類內(nèi)應(yīng)力（II）在材料較小范圍（一個(gè)晶粒或晶粒內(nèi)的區(qū)域）內(nèi)近乎均勻。第III類內(nèi)應(yīng)力（III）在極小的材料區(qū)域（幾個(gè)原子間距）內(nèi)也是不均勻的。圖1.1給出了按上述方法分類的一種單相多晶體材料中的三類應(yīng)力的物理模型[5

2、]。圖中（x,y）處的重的內(nèi)應(yīng)力在y方向的分量在數(shù)值上可用下式表述：IIIIII(1.1)其中I多個(gè)晶粒(1.2)II一個(gè)晶粒－I(1.3)III＝（－I－II）在（x,y）點(diǎn)上(1.4)Fig1.1Diagrammaticdrawingofinternalstressclassification圖1.1內(nèi)應(yīng)力分類示意圖殘余應(yīng)力是第I類內(nèi)應(yīng)力的工程名稱，也被稱為“宏觀應(yīng)力”（MacroStress）。2.2殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因殘余應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，它與材料中局部區(qū)域存在的殘余彈性應(yīng)變相聯(lián)系，是材料

3、的彈性各向異性的反映。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有[4，5]：i）不均勻塑性變形導(dǎo)致不同部分之間相對(duì)的壓縮或拉伸形變產(chǎn)生殘余應(yīng)力。例如彎曲、壓縮、滾壓、切削、噴丸、拉拔等加工方式都能引起不均勻塑性變形。ii）熱影響產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響是復(fù)雜的。加熱、冷卻過程中材料內(nèi)各部分之間會(huì)存在溫度梯度，就會(huì)產(chǎn)生不均勻膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力；而當(dāng)組織轉(zhuǎn)變引起材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的體積變化時(shí)，則產(chǎn)生相變應(yīng)力。例如當(dāng)鋼鐵材料從高溫迅速冷卻發(fā)生馬氏體相變時(shí)，表層淬火后馬氏體膨脹受到心部的阻礙在表面形成殘余壓應(yīng)

4、力。iii）化學(xué)作用產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這時(shí)的殘余應(yīng)力是由于表面向心部傳遞的化學(xué)變化或物理變化而產(chǎn)生的。例如鋼滲碳、滲氮后，表面形成比容較大的化合物，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。2.3殘余應(yīng)力的調(diào)整與消除在工件的冷熱加工和熱處理過程中，往往會(huì)引入殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)材料的使用性能有很大的影響，尤其是殘余拉應(yīng)力的存在降低了材料的疲勞強(qiáng)度，縮短了零部件的使用壽命，以及降低了材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此針對(duì)工件的具體服役條件，須采取一定的措施來消除或降低對(duì)其性能不利的殘余拉應(yīng)力。以下簡(jiǎn)單介紹幾種消除或調(diào)整殘余應(yīng)力

5、的方法。2.3.1加熱方法(Heattreatment)該方法是一種傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力的方法。它利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)來消除或調(diào)整殘余應(yīng)力。采用加熱方法調(diào)整殘余應(yīng)力時(shí)，只要工藝得當(dāng)，一般可達(dá)到充分消除殘余應(yīng)力的目的。但與此同時(shí)材料的力學(xué)性能如強(qiáng)度、硬度等會(huì)發(fā)生變化。溫度較高時(shí)還伴有表面氧化等缺陷。而且加熱的方法往往要消耗大量的能源。尤其是大型鑄、焊件的整體加熱時(shí)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高。2.3.2振動(dòng)時(shí)效（VSR：VibrationStressRelief）振動(dòng)消除殘余應(yīng)力是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來

6、的一種消除殘余應(yīng)力的方法，它通過施加循環(huán)載荷達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。由于處理時(shí)間短，使用范圍廣，能耗低，操作簡(jiǎn)單，而且不改變材料的組織結(jié)構(gòu)，這種方法引起了人們的重視，在最近幾十年來得到了迅速的發(fā)展。2.3.3脈沖磁場(chǎng)處理(PulsedMagneticTreatment)該方法是將鐵磁性材料放在高頻或低頻交變脈沖磁場(chǎng)中處理，磁場(chǎng)的磁致塑性效應(yīng)致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而引起殘余應(yīng)力的松弛[12]。這種方法處理并不改變材料的組織結(jié)構(gòu)，而且仍然保持材料良好的力學(xué)性能。這種方法處理時(shí)間短（幾百微秒），能耗低，但是只

7、對(duì)鐵磁性材料有效。2.3.4超聲沖擊(UltrosonicImpactTreatment)最早把超聲技術(shù)用來處理金屬材料是在上個(gè)世紀(jì)五十年代末期。80年代初，俄羅斯科學(xué)家Statnikov研制了一套便攜式超聲處理設(shè)備，并把超聲沖擊技術(shù)用以處理焊縫。該方法是采用大約27，000Hz的超聲波沖擊樣品使其產(chǎn)生塑性變形，從而引入對(duì)材料力學(xué)性能有利的殘余壓應(yīng)力達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。這種處理方法與常規(guī)噴丸的作用機(jī)理相似，可以有效的提高疲勞裂紋萌生的門檻值和疲勞極限。2.3.5電脈沖處理（Electropul

8、seTreatment）高密度脈沖電流對(duì)材料的處理過程是一個(gè)非平衡過程，它會(huì)引起材料性能的很大變化。電流與材料相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種效應(yīng)，如電致遷移、電致塑性、電致超塑性及電致結(jié)構(gòu)弛豫等。2.4殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能的影響2.4.1對(duì)靜強(qiáng)度的影響材料受靜載時(shí)，殘余應(yīng)力可以看作是一個(gè)預(yù)加載荷疊加在外載荷上，它對(duì)材料靜強(qiáng)度的影響取決于材料塑性變形的可能性。如果材料為韌性或所承受的應(yīng)力狀態(tài)較軟，則當(dāng)疊加應(yīng)力達(dá)到材料的彈性極限時(shí)，殘余應(yīng)力開始松弛，超過屈服強(qiáng)度時(shí)幾乎全部松弛，此時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)靜