金屬塑性變形理論--第10講-殘余應力課件

金屬塑性變形理論

第十講LessonTenZhangGuijieTel：E-Mail：DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092023/1/42第五章塑性變形的不均勻性主要內容MainContent變形不均勻的基本概念變形不均勻的原因減小變形不均勻的措施殘余應力2023/1/435.4殘余應力殘余應力的概念變形條件對殘余應力的影響殘余應力引起的后果減小殘余應力影響的措施

殘余應力的測定方法2023/1/45雖然殘余應力是變形完畢后保留在物體內的附加應力，但并不是所有的約束位能都用于形成殘余應力，而是有部分位能在塑性變形中由于軟化而被釋放。因此，殘余應力的位能應小于在整個塑性變形過程中用于形成附加應力的位能。2023/1/46殘余應力是由附加應力變化而來，所以殘余應力也是相互平衡的。并與附加應力相對應，殘余應力也分為第一種、第二種和第三種殘余應力。2023/1/47變形條件對殘余應力的影響殘余應力與附加應力一樣也同樣受到變形條件的影響。其中主要是變形溫度、變形速度、變形程度、接觸摩擦、工具和變形物體形狀等等。2023/1/48變形溫度在確定變形溫度的影響時應注意到在變形過程中是否有相變存在。若在變形過程中出現(xiàn)雙相系時，將會引起第二種附加應力的產生，從而使殘余應力增大。但在一般情況下，當變形溫度升高時，附加應力以及所形成的殘余應力減小。溫度降低時，出現(xiàn)附加應力和從而出現(xiàn)殘余應力的可能增大。因此，即使是對單相系金屬也不允許將變形溫度降低到某一定值以下。在變形過程中溫度的不均勻分布是產生極大附加應力的一個原因，自然也是產生極大殘余應力的一個原因。如果變形過程在高于室溫條件下完成時，具有某一數(shù)值的殘余應力時，則此殘余應力會因物體冷卻到室溫而增加。2023/1/410變形程度隨著變形程度的增加，第一種附加應力，亦即殘余應力開始急劇增加。當塑性變形達到20～25％時，應力達到最大值。當變形繼續(xù)增加時，此應力將開始減小，并當變形程度超過52～65％時，應力幾乎接近于零。變形程度的這種影響是指在低于0.3對應溫度條件下進行的變形而言。當溫度升高時，在較大的變形程度下才能使第一種殘余應力達到最大值，并在高于60～70％的變形條件下，此應力也未降低到零。變形程度對第二種和第三種殘余應力的影響則是另一種情況。這些殘余應力的數(shù)值將隨變形程度的增加而增大，而且對于雙相系和多相系，比對單相系提高得更強烈。2023/1/412殘余應力引起的后果引起物體尺寸和形狀的變化當在變形物體內存在殘余應力時，則物體將會產生相應的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應的變形也將發(fā)生變化，引起物體尺寸和形狀改變。2023/1/414若加工件是不對稱的，則物體除尺寸變化外，還可能發(fā)生形狀的改變。引起殘余應力的消失或減小的原因，除機械加工外還有時間的延長等因素。有時，具有殘余應力的物體在熱處理過程中，或受到沖擊后也會發(fā)生尺寸和形狀的變化。2023/1/415板材裁剪后的變形＋－＋2023/1/416使零件的使用壽命縮短因殘余應力本身是相互平衡的，所以當具有殘余應力的物體受載荷時，在物體內有的部分的工作應力為外力所引起的應力與此殘余應力之和，有的部分為其差，這樣就會造成應力在物體內的分布不均。此時工作應力達到材料的屈服強度時，物體將會產生塑性變形；達到材料的斷裂強度時，物體將會產生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。2023/1/417降低了金屬的塑性加工性能當具有殘余應力的物體繼續(xù)進行塑性加工時，由于殘余應力的存在可加強物體內的應力和變形的不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。2023/1/418降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強度等。2023/1/420減小或消除殘余應力的方法減小材料在加工和處理過程中所產生的不均勻變形；對加工件進行熱處理；進行機械處理。2023/1/421減小不均勻變形正確選定變形的溫度－速度制度減小金屬表面上的外摩擦合理設計加工工具形狀盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻……2023/1/423第二種殘余應力在溫度低于再結晶溫度時的加熱過程中幾乎完全消除。第三種殘余應力只有在再結晶過程中點陣完全恢復時才能消除。2023/1/424進行機械處理機械處理方法是利用使物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力。這種處理方法主要有：（1）使零件彼此碰撞；（2）用木棒打擊表面；（3）表面輥壓和壓平；（4）表面拉制；（5）在模子中作表面校形或精壓。2023/1/426表面層中具有殘余拉應力的板材經表面輾壓后，其殘余應力大為減小。在一定限度內，表面變形越大，殘余應力減小得越多。2023/1/427實驗證明，拉制黃銅棒經輾壓后，其內部的殘余應力發(fā)生如圖所示的變化?？梢?，表面變形可使原來的殘余應力幾乎減小一倍，甚至可使表面拉應力變成壓應力。表面變形程度越大、殘余應力減少得越多。但此變形程度不應超過某一限度，一般是在1.5~3％以下。若超過此限度，會造成有害的后果，因為這樣不但不會減小殘余應力，反而會使殘余應力增加。2023/1/428黃銅捧在輾平前后的殘余應力分布圖a－縱向應力；b－切向應力；c－徑向應力(實線為拉制銅捧的殘余攻力；虛線表示銅棒在碾平后的殘余應力)2023/1/430機械法用此方法可測定棒材、管材等一類物體內的殘余應力，其精確度可達每平方厘米內幾千克。2023/1/431其具體測量方法是：截取一段長度為其直徑三倍的棒材（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。2023/1/432根據(jù)公式和繪制這些數(shù)值與鉆孔剖面積F的關系曲線。并用作圖法求出此曲線上任一點的導數(shù)和。2023/1/433變形與鉆孔橫斷面積關系2023/1/434縱向應力切向應力徑向應力式中F2023/1/435化學法化學法是定性研究殘余應力的一種方法。此方法是將試樣浸入到適當?shù)娜芤褐?，測量出自開始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經過時間，按此經過的時間來判斷殘余應力的大小。侵蝕試樣所用的溶液，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。

2023/1/436在判斷應力的形式時，若出現(xiàn)橫向裂紋，則可認為是縱向應力作用的結果，若出現(xiàn)縱向裂紋，可認為是橫向應力作用的結果。在實際中準確地確定裂紋出現(xiàn)的時間比較困難，不過與其它機械法相比較，還是可以定性地看出破裂時間與殘余應力的關系。2023/1/437用化學侵蝕法及機械方法實驗冷軋黃銅殘余應力的比較曲線2023/1/438另一種化學方法是，將試樣吊浸在適當?shù)娜芤豪?，隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經過時間的關系曲線。與標準曲線相比較，以判定殘余應力的大小。所得到的曲線的位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘余應力越大2023/1/439用稱重法測定殘余應力的試驗曲線2023/1/440化學方法對于測定金屬絲，薄條等類型的工件內的殘余應力是十分合適的。同時定性地來比較在不同的壓力加工制度和熱處理制度中所出現(xiàn)的殘余應力的大小也是很有用的。2023/1/441X射線法在X射線法中可包括有勞埃法和德拜法。在勞埃法中可根據(jù)干擾斑點形狀的變化來定性地確定殘余應力。當無殘余應力存在時，各干擾斑點呈點狀分布。有殘余應力時，各干擾斑點伸長，呈“星芒”狀。2023/1/442鋁晶體的勞埃圖（a）鋁晶體未變形的勞埃圖；（b）鋁晶體塑性變形后的勞埃圖2023/1/443用德拜法可以定量地測出所存在的殘余應力。第一種殘余應力可根據(jù)德拜圖上衍射線條位置的變化來確定。第二種和第三種殘余應力可根據(jù)衍射線條的寬度變化和強度的變化來確定。2023/1/444機械法可以比較精確地確定殘余應力的大小和分布，但在測定時要