結構材料中的殘余應力

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1、2結構材料中的殘余應力2.1殘余應力的定義通常把沒有外力或外力矩作用而在物體內部依然存在并保持自身平衡的應力叫做內應力[3]。依據(jù)德國學者E.Macherauch于1973年提出的分類方法，內應力可以分為以下三類：第I類內應力（I）在較大的材料區(qū)域（多個晶粒范圍）內幾乎是均勻的。第II類內應力（II）在材料較小范圍（一個晶?；蚓Я鹊膮^(qū)域）內近乎均勻。第III類內應力（III）在極小的材料區(qū)域（幾個原子間距）內也是不均勻的。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力的物理模型[5

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

3、的彈性各向異性的反映。殘余應力產(chǎn)生的原因主要有[4，5]：i）不均勻塑性變形導致不同部分之間相對的壓縮或拉伸形變產(chǎn)生殘余應力。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)生殘余應力。熱對殘余應力產(chǎn)生的影響是復雜的。加熱、冷卻過程中材料內各部分之間會存在溫度梯度，就會產(chǎn)生不均勻膨脹，從而產(chǎn)生熱應力；而當組織轉變引起材料內部產(chǎn)生不均勻的體積變化時，則產(chǎn)生相變應力。例如當鋼鐵材料從高溫迅速冷卻發(fā)生馬氏體相變時，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

4、力。iii）化學作用產(chǎn)生殘余應力。這時的殘余應力是由于表面向心部傳遞的化學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)生殘余壓應力。2.3殘余應力的調整與消除在工件的冷熱加工和熱處理過程中，往往會引入殘余應力。殘余應力的存在對材料的使用性能有很大的影響，尤其是殘余拉應力的存在降低了材料的疲勞強度，縮短了零部件的使用壽命，以及降低了材料的抗應力腐蝕性能。因此針對工件的具體服役條件，須采取一定的措施來消除或降低對其性能不利的殘余拉應力。以下簡單介紹幾種消除或調整殘余應力

5、的方法。2.3.1加熱方法(Heattreatment)該方法是一種傳統(tǒng)的消除殘余應力的方法。它利用殘余應力的熱松弛效應來消除或調整殘余應力。采用加熱方法調整殘余應力時，只要工藝得當，一般可達到充分消除殘余應力的目的。但與此同時材料的力學性能如強度、硬度等會發(fā)生變化。溫度較高時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，生產(chǎn)周期長，成本高。2.3.2振動時效（VSR：VibrationStressRelief）振動消除殘余應力是20世紀60年代發(fā)展起來

6、的一種消除殘余應力的方法，它通過施加循環(huán)載荷達到消除殘余應力的目的。由于處理時間短，使用范圍廣，能耗低，操作簡單，而且不改變材料的組織結構，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中處理，磁場的磁致塑性效應致使位錯運動，從而引起殘余應力的松弛[12]。這種方法處理并不改變材料的組織結構，而且仍然保持材料良好的力學性能。這種方法處理時間短（幾百微秒），能耗低，但是只

7、對鐵磁性材料有效。2.3.4超聲沖擊(UltrosonicImpactTreatment)最早把超聲技術用來處理金屬材料是在上個世紀五十年代末期。80年代初，俄羅斯科學家Statnikov研制了一套便攜式超聲處理設備，并把超聲沖擊技術用以處理焊縫。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，從而引入對材料力學性能有利的殘余壓應力達到調整殘余應力的目的。這種處理方法與常規(guī)噴丸的作用機理相似，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）高密度脈沖電流對材料的處理過程是一個非平衡過程，它會引起材料性能的很大變化。電流與材料相互作用時會產(chǎn)生多種效應，如電致遷移、電致塑性、電致超塑性及電致結構弛豫等。2.4殘余應力對材料力學性能的影響2.4.1對靜強度的影響材料受靜載時，殘余應力可以看作是一個預加載荷疊加在外載荷上，它對材料靜強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力狀態(tài)較軟，則當疊加應力達到材料的彈性極限時，殘余應力開始松弛，超過屈服強度時幾乎全部松弛，此時殘余應力對靜