《殘余應(yīng)力》課件

殘余應(yīng)力概述殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部的一種內(nèi)應(yīng)力，即使在外部載荷消失后依然存在。殘余應(yīng)力可以由多種因素引起，例如熱處理、加工過(guò)程、焊接等。什么是殘余應(yīng)力定義殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部的一種力，即使在沒(méi)有外力的情況下也會(huì)存在。這些力是由材料的加工過(guò)程產(chǎn)生的，例如冷加工、焊接、熱處理等。特點(diǎn)殘余應(yīng)力可以是拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力，并且會(huì)影響材料的強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕敏感性。類(lèi)型殘余應(yīng)力可以是宏觀的，也可以是微觀的，并且可以是均勻分布的，也可以是不均勻分布的。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因塑性變形金屬材料在加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生塑性變形。變形過(guò)程中，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力在加工完成后并不會(huì)完全消失，而是以殘余應(yīng)力的形式存在。相變金屬材料在熱處理過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變。相變會(huì)導(dǎo)致材料的體積和形狀發(fā)生變化，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱應(yīng)力金屬材料在溫度變化的情況下會(huì)發(fā)生熱膨脹或收縮，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果溫度變化過(guò)快或過(guò)大，熱應(yīng)力就會(huì)轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力。焊接焊接過(guò)程中，焊接區(qū)域的溫度升高，然后迅速冷卻，導(dǎo)致焊接區(qū)域與周?chē)鷧^(qū)域之間產(chǎn)生溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力1塑性變形金屬材料在塑性變形過(guò)程中，由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。2冷加工冷加工是指在材料的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工，如冷軋、冷拔等。3熱加工熱加工是指在材料的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工，如熱軋、鍛造等。焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力焊接過(guò)程是材料熱加工的重要方式，在焊接過(guò)程中熱量輸入會(huì)引起材料的局部高溫，以及隨后冷卻過(guò)程中的溫度梯度。這種溫度變化會(huì)造成材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱塑性變形。材料在冷卻過(guò)程中，由于熱應(yīng)力和塑性變形共同作用，最終形成殘余應(yīng)力。1熱應(yīng)力溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力2熱塑性變形高溫下材料的塑性變形3殘余應(yīng)力冷卻后留下的應(yīng)力焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)影響焊接接頭的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性，因此需要對(duì)其進(jìn)行分析和控制，以保證焊接質(zhì)量。表面處理工藝中的殘余應(yīng)力噴丸強(qiáng)化噴丸強(qiáng)化是指利用高速?zèng)_擊的丸粒對(duì)工件表面進(jìn)行處理，從而在工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高材料的抗疲勞性能和抗腐蝕性能。激光表面處理激光表面處理可以改變材料的表面結(jié)構(gòu)和性能，如淬火、熔覆、合金化等，從而改變材料的硬度、耐磨性和抗腐蝕性，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。電鍍電鍍工藝在工件表面形成一層金屬鍍層，由于鍍層與基體金屬之間存在熱膨脹系數(shù)差異，冷卻后會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響鍍層的附著力和耐腐蝕性。熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力1淬火加熱到奧氏體化溫度，然后快速冷卻。2回火將淬火后的工件重新加熱到低于淬火溫度，然后緩慢冷卻。3正火將工件加熱到奧氏體化溫度，然后在空氣中緩慢冷卻。4退火將工件加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，再緩慢冷卻。熱處理過(guò)程中，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力在冷卻過(guò)程中無(wú)法完全釋放，就會(huì)形成殘余應(yīng)力。不同的熱處理工藝會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的測(cè)量方法X射線(xiàn)衍射法利用X射線(xiàn)衍射原理分析材料晶格結(jié)構(gòu)，測(cè)量殘余應(yīng)力。廣泛應(yīng)用于金屬材料，可測(cè)量表面和內(nèi)部應(yīng)力。中子衍射法使用中子束照射材料，通過(guò)測(cè)量中子散射模式獲得材料內(nèi)部殘余應(yīng)力分布?？紫夺尫欧ㄔ诓牧仙香@孔，測(cè)量孔周?chē)膽?yīng)變變化，計(jì)算殘余應(yīng)力大小和方向。適用于各種材料。X射線(xiàn)衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力X射線(xiàn)衍射儀X射線(xiàn)衍射法利用X射線(xiàn)照射材料表面，測(cè)量衍射角變化，分析晶格畸變。晶格畸變分析通過(guò)分析衍射圖樣，可以確定晶格常數(shù)變化，進(jìn)而計(jì)算殘余應(yīng)力。微觀結(jié)構(gòu)分析X射線(xiàn)衍射還可以提供材料微觀結(jié)構(gòu)信息，如晶粒尺寸、相組成等。中子衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力11.原理中子衍射法利用中子束照射材料，通過(guò)分析中子衍射圖案，可以獲得材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而推算出殘余應(yīng)力。22.優(yōu)勢(shì)中子衍射法具有穿透力強(qiáng)，對(duì)材料成分影響小，適合測(cè)量深層殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，在金屬材料、陶瓷材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。33.應(yīng)用中子衍射法常用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和殘余應(yīng)力等，在航空航天、汽車(chē)制造、機(jī)械加工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?？紫夺尫欧y(cè)量殘余應(yīng)力原理孔隙釋放法利用在材料上鉆孔，通過(guò)測(cè)量鉆孔周?chē)膽?yīng)力變化來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力。鉆孔過(guò)程會(huì)改變材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致孔隙周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)用該方法適用于測(cè)量各種材料的殘余應(yīng)力，包括金屬、陶瓷、復(fù)合材料等。它尤其適用于測(cè)量表面附近或薄壁結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單易行測(cè)量精度較高適用于各種材料缺點(diǎn)需要對(duì)材料進(jìn)行破壞性測(cè)試測(cè)量結(jié)果受孔徑和孔深影響不適用于測(cè)量深層殘余應(yīng)力應(yīng)變片測(cè)量殘余應(yīng)力11.粘貼應(yīng)變片在零件表面粘貼應(yīng)變片，測(cè)量材料在應(yīng)力作用下的變形。22.解算應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變值，結(jié)合材料的彈性模量，計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小。33.校正誤差應(yīng)考慮溫度變化、應(yīng)變片粘貼誤差等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，進(jìn)行必要的校正。44.廣泛應(yīng)用應(yīng)變片法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。切縫準(zhǔn)備法測(cè)量殘余應(yīng)力切縫準(zhǔn)備在零件上切出特定形狀和尺寸的切縫，將殘余應(yīng)力釋放到切縫周?chē)膮^(qū)域，從而改變?cè)搮^(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變測(cè)量使用應(yīng)變片或其他應(yīng)變測(cè)量?jī)x器測(cè)量切縫周?chē)鷧^(qū)域的應(yīng)變變化，這些變化與釋放的殘余應(yīng)力有關(guān)。數(shù)據(jù)分析根據(jù)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)和切縫的幾何形狀，通過(guò)數(shù)學(xué)模型或數(shù)值模擬計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小和分布。殘余應(yīng)力的危害應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致材料在腐蝕性環(huán)境中更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。疲勞壽命降低殘余應(yīng)力會(huì)降低材料的疲勞強(qiáng)度，縮短使用壽命。尺寸變形殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件發(fā)生尺寸變形，影響其精度和功能。零件失效殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂或失效。高溫下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境高溫腐蝕介質(zhì)應(yīng)力殘余應(yīng)力外加應(yīng)力結(jié)果裂紋萌生裂紋擴(kuò)展高溫環(huán)境下，殘余應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用，導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，進(jìn)而影響零件的使用壽命。疲勞壽命降低殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞壽命降低。應(yīng)力集中會(huì)加速裂紋的形成和擴(kuò)展，導(dǎo)致材料更快失效。例如，在飛機(jī)機(jī)體、橋梁、渦輪葉片等承受循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力會(huì)顯著影響疲勞壽命，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突然斷裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種金屬材料在拉伸應(yīng)力作用下，同時(shí)受到腐蝕介質(zhì)的作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指金屬材料在腐蝕性介質(zhì)中，在應(yīng)力（包括外加應(yīng)力和殘余應(yīng)力）作用下發(fā)生的脆性斷裂。殘余應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量的影響焊接變形殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外形。焊接裂紋殘余應(yīng)力過(guò)大會(huì)造成焊接接頭產(chǎn)生裂紋，影響焊縫的強(qiáng)度和可靠性。焊接疲勞殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命降低，影響焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。焊接性能殘余應(yīng)力會(huì)影響焊接接頭的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、延性和韌性。殘余應(yīng)力對(duì)零件使用性能的影響11.疲勞壽命殘余應(yīng)力會(huì)影響材料的疲勞壽命，拉應(yīng)力會(huì)縮短疲勞壽命，壓應(yīng)力會(huì)延長(zhǎng)疲勞壽命。22.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，尤其是在腐蝕性環(huán)境中使用零件時(shí)，拉應(yīng)力會(huì)加劇應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。33.強(qiáng)度和塑性殘余應(yīng)力可以改變材料的強(qiáng)度和塑性，例如，殘余壓應(yīng)力可以提高材料的屈服強(qiáng)度和抗疲勞性。44.幾何尺寸殘余應(yīng)力可以影響零件的幾何尺寸，例如，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致零件變形。如何評(píng)估殘余應(yīng)力對(duì)零件性能的影響材料性能殘余應(yīng)力會(huì)影響材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性等性能。在某些情況下，殘余應(yīng)力可以提高材料的強(qiáng)度，但在另一些情況下，它會(huì)導(dǎo)致材料的脆化和失效。零件使用壽命殘余應(yīng)力會(huì)影響零件的使用壽命，例如，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和疲勞失效都與殘余應(yīng)力有關(guān)，過(guò)高的殘余應(yīng)力會(huì)縮短零件的使用壽命。加工過(guò)程殘余應(yīng)力會(huì)影響加工過(guò)程，例如，在切削加工中，殘余應(yīng)力會(huì)影響刀具的磨損和切削質(zhì)量，在焊接過(guò)程中，殘余應(yīng)力會(huì)影響焊接接頭的強(qiáng)度和可靠性。零件功能殘余應(yīng)力會(huì)影響零件的功能，例如，在彈簧中，殘余應(yīng)力會(huì)影響彈簧的剛度和性能，在齒輪中，殘余應(yīng)力會(huì)影響齒輪的傳動(dòng)效率和磨損壽命。如何減小或消除殘余應(yīng)力熱處理熱處理可以有效減小殘余應(yīng)力。通過(guò)控制加熱和冷卻速率，可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而降低殘余應(yīng)力水平。機(jī)械加工適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工可以降低殘余應(yīng)力。例如，通過(guò)滾壓或噴丸處理，可以引入表面壓縮應(yīng)力，抵消內(nèi)部拉伸應(yīng)力。焊接工藝采用合理的焊接工藝，如預(yù)熱、層間冷卻和焊后熱處理，可以有效降低焊接過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。冷軋過(guò)程中的殘余應(yīng)力控制工藝參數(shù)優(yōu)化軋制速度、軋制溫度、軋制壓力等工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響較大，需要根據(jù)材料特性和產(chǎn)品要求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。中間退火在冷軋過(guò)程中進(jìn)行中間退火，可以有效降低殘余應(yīng)力，提高材料塑性。張力控制通過(guò)控制軋制過(guò)程中的張力，可以有效控制殘余應(yīng)力的分布和大小。冷卻控制合理的冷卻方式和冷卻速度可以有效降低殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。焊接工藝中的殘余應(yīng)力控制焊接參數(shù)優(yōu)化焊接電流、焊接速度和焊接電壓等參數(shù)會(huì)影響焊接過(guò)程中的熱輸入和冷卻速度，進(jìn)而影響殘余應(yīng)力。通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)，可以有效地控制殘余應(yīng)力的大小和分布。預(yù)熱和后熱處理預(yù)熱可以降低焊接過(guò)程中金屬的冷卻速度，減小熱應(yīng)力，從而降低殘余應(yīng)力。后熱處理可以通過(guò)高溫回火來(lái)消除或降低殘余應(yīng)力。焊接順序和焊接方法采用合理的焊接順序和焊接方法可以使焊接過(guò)程中的熱量分布更加均勻，從而降低殘余應(yīng)力。例如，采用多層多道焊接可以有效地降低殘余應(yīng)力。焊接材料選擇選擇合適的焊接材料可以降低焊接過(guò)程中的熱輸入和冷卻速度，從而降低殘余應(yīng)力。例如，使用低氫焊條可以降低焊接過(guò)程中的氫氣含量，從而降低殘余應(yīng)力。表面處理工藝中的殘余應(yīng)力控制工藝參數(shù)優(yōu)化表面處理工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力有很大影響，例如噴砂、拋丸等工藝的強(qiáng)度和時(shí)間。優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效地控制殘余應(yīng)力。選擇合適的材料不同的材料具有不同的機(jī)械性能，對(duì)殘余應(yīng)力的敏感性也不同。選擇合適的材料可以有效地減少殘余應(yīng)力。表面處理后熱處理對(duì)表面處理后的零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，例如退火或回火，可以有效地降低殘余?yīng)力。熱處理工藝中的殘余應(yīng)力控制控制方法熱處理工藝中，殘余應(yīng)力控制至關(guān)重要，可通過(guò)調(diào)整加熱和冷卻速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。緩慢冷卻快速冷卻等溫淬火控制目的控制殘余應(yīng)力可以?xún)?yōu)化材料性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。提高抗疲勞性能降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)改善抗磨損性能殘余應(yīng)力的檢測(cè)與分析精確測(cè)量運(yùn)用專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行精確測(cè)量，獲得可靠數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析利用專(zhuān)業(yè)軟件分析數(shù)據(jù)，揭示殘余應(yīng)力分布和影響。結(jié)果解讀專(zhuān)家解讀分析結(jié)果，給出針對(duì)性建議和解決方案。如何基于殘余應(yīng)力優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)1產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高性能2材料選擇根據(jù)殘余應(yīng)力影響選擇合適材料3制造工藝控制制造工藝，減小殘余應(yīng)力4檢測(cè)分析檢測(cè)分析殘余應(yīng)力，評(píng)估影響基于殘余應(yīng)力優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要從多個(gè)方面考慮。首先，要選擇適合的材料，并根據(jù)其對(duì)殘余應(yīng)力的敏感性進(jìn)行選擇。其次，要優(yōu)化制造工藝，控制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布。最后，要對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)分析，評(píng)估其對(duì)產(chǎn)品性能的影響，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。只有這樣，才能充分利用殘余應(yīng)力，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。殘余應(yīng)力對(duì)制造過(guò)程的影響制造工藝優(yōu)化殘余應(yīng)力可以影響產(chǎn)品質(zhì)量，例如尺寸精度、表面粗糙度和形狀精度。生產(chǎn)效率殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致裂紋或變形，影響生產(chǎn)效率，如焊接過(guò)程中的裂紋或熱處理過(guò)程中變形。材料選擇殘余應(yīng)力可能影響材料的力學(xué)性能，例如強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而影響材料的選擇。成本控制控制殘余應(yīng)力可降低返工率，減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響強(qiáng)度殘余應(yīng)力可以提高材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，改善材料的承載能力。疲勞性能殘余應(yīng)力可以延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高材料的疲勞壽命。耐腐蝕性殘余應(yīng)力可以提高材料的抗腐蝕能力，減緩腐蝕過(guò)程。塑性殘余應(yīng)力會(huì)降低材料的塑性和韌性，使其更易于發(fā)生脆性斷裂。殘余應(yīng)力管理的方法與策略11.過(guò)程控制通過(guò)優(yōu)