殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除

1、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、釋放與測量1、 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因歸結(jié)為三類：一是不均勻的塑性變形;二是不均勻的溫度變化；三是不均勻的相變。 根據(jù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力機(jī)理的不同，可將其分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，車軸熱處理后的殘余應(yīng)力是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的綜合作用結(jié)果。由于構(gòu)件內(nèi)、外部溫度不均，引起材料的收縮與膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為“熱應(yīng)力”。熱應(yīng)力是由于快速冷卻時(shí)工件截面溫差造成的，淬火冷卻速度與工件截面尺寸共同決定了熱應(yīng)力的大小。在相同冷卻介質(zhì)的情況下，淬火加熱溫度越高、截面尺寸越大、鋼材熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)越大，均能導(dǎo)致淬火件內(nèi)外溫差增大，熱應(yīng)力越大。而加工過程中，由工件內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變的時(shí)刻不同多引起的內(nèi)應(yīng)力成

2、為“組織應(yīng)力”。淬火時(shí)，表層材料先于內(nèi)部開始馬氏體的相變，并引起體積膨脹，由于表層的體積膨脹受到未轉(zhuǎn)變的心部的牽制，于是在試樣表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著冷卻的進(jìn)行，心部體積膨脹有收到表層的阻礙。隨著心部馬氏體相變的體積效應(yīng)逐漸增大，在某個(gè)瞬間組織應(yīng)力狀態(tài)暫時(shí)為零后，式樣的組織應(yīng)力發(fā)生反向，最終形成表層為拉應(yīng)力而心部為壓應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。組織應(yīng)力大小與鋼的含碳量、淬火件尺寸、在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度、鋼的導(dǎo)熱性及淬透性、加熱溫度、保溫時(shí)間等因素有關(guān)。2、 殘余應(yīng)力的釋放 針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)還可以引入有益的殘余壓

3、應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問題。通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：自然時(shí)效把工件置于室外，經(jīng)氣候、溫度的反復(fù)變化，在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下，使殘余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過一年自然時(shí)效的工件，殘余應(yīng)力僅下降2%10%，但工件的松弛剛度得到了較大地提高，因而工件的尺寸穩(wěn)定性很好。但由于時(shí)效時(shí)間過長，一般不采用。熱時(shí)效熱時(shí)效是傳統(tǒng)的時(shí)效方法，利用熱處理中的退火技術(shù)，將工件加熱到500650進(jìn)行較長時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過原子擴(kuò)散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。從理論上講采用熱時(shí)效，只要退火溫度和時(shí)間適宜，應(yīng)力可以完全消除。但在實(shí)際生產(chǎn)中通常可以消除殘余應(yīng)力的7080%，但是它有

4、工件材料表面氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。振動時(shí)效振動時(shí)效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。其特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用范圍廣、能源消耗少、設(shè)備投資小，操作簡便，因此振動時(shí)效在70年代從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)后在國內(nèi)被大力推廣。靜態(tài)過載法 靜態(tài)過載法是以靜力或靜力矩的形式，暫時(shí)加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時(shí)間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。用于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過載

5、法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時(shí)間。特別指出，靜態(tài)過載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。熱沖擊時(shí)效法1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。超聲波時(shí)效法超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國家得到推廣，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。但是以上等可以在一定程度上減小殘余應(yīng)力值，但都不能完全消除殘余應(yīng)力，為了獲取比較好的應(yīng)力狀態(tài)采取以下表面處理：1、 滾壓工藝 滾壓

6、表面強(qiáng)化技術(shù)是一種簡單有效的可以顯著改善零件表面應(yīng)力狀態(tài)從而提高其抗疲勞性能的終加工工藝手段。可以產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力和提高表面質(zhì)量。2、 磨削工藝 精磨工序加工得到的工件表面存在較高一致性殘余壓應(yīng)力。3、 噴丸工藝 4、 表面淬火工藝 以上四種工藝都會對表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，既可以獲得較好的表面組織，也可以調(diào)高表面殘余壓應(yīng)力，提高車軸的使用壽命。3、 殘余應(yīng)力的測量盲孔法盲孔法測量殘余應(yīng)力的原理如圖1所示，假設(shè)一個(gè)各向同性材料上某一區(qū)域內(nèi)存在一般狀態(tài)的殘余應(yīng)力場，其最大、最小主應(yīng)力分別為1和2，在該區(qū)域表面上粘貼一專用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放，從而在應(yīng)變花絲柵區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生

7、釋放應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變花測量的釋放應(yīng)變就可以計(jì)算出殘余應(yīng)力：12190°225°2R1R2R3 圖1 盲孔法殘余應(yīng)力測量原理圖 (1)式（1）中： 1、2、3 三個(gè)方向釋放應(yīng)變； 1、2 最大、最小主應(yīng)力； 1與1號片參考軸的夾角； E 材料彈性模量； A、B 兩個(gè)釋放系數(shù)。其中A、B系數(shù)與鉆孔的孔徑、應(yīng)變花尺寸、孔深有關(guān)。盲孔法測殘余應(yīng)力的誤差主要有以下幾個(gè)因素：1、應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量。應(yīng)變片粘貼不好會引起數(shù)據(jù)漂移和精度下降。2、 鉆孔裝置安裝時(shí)的對中偏心引起的誤差。鉆孔前必須用專用對中顯微鏡調(diào)整中心位置。3、鉆孔時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)變。它可以用兩次鉆孔并改變鉆速的方法減小附加應(yīng)變。4、釋放系數(shù)A、B值的誤差。（A、B值的確定？）HT21B型便攜式數(shù)字殘余應(yīng)力檢測儀主要用于盲孔法進(jìn)行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究，還能在靜力強(qiáng)度研究中測量結(jié)構(gòu)及材料任一點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器。如果配用相應(yīng)的傳感器，也可以測量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。粘貼應(yīng)變片（1）將試件或彈性體表面貼片部位用細(xì)砂紙打磨去除氧化層，打磨方向應(yīng)與應(yīng)變片絲柵方向成45°左右。（如何確定45°方向？）（2）用脫脂棉棒蘸丙酮或無水乙醇將貼片部位擦洗干凈，將應(yīng)變片粘貼面擦洗干凈。（3）確定好45°方向（45°