《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，即使在沒有外力的情況下也會存在。這些力是由材料的加工過程產(chǎn)生的，例如冷加工、焊接、熱處理等。特點殘余應(yīng)力可以是拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力，并且會影響材料的強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕敏感性。類型殘余應(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程中會發(fā)生塑性變形。變形過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力在加工完成后并不會完全消失，而是以殘余應(yīng)力的形式存在。相變金屬材料在熱處理過程中會發(fā)生相變。相變會導(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。如果溫度變化過快或過大，熱應(yīng)力就會轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力。焊接焊接過程中，焊接區(qū)域的溫度升高，然后迅速冷卻，導(dǎo)致焊接區(qū)域與周圍區(qū)域之間產(chǎn)生溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。成形過程中的殘余應(yīng)力1塑性變形金屬材料在塑性變形過程中，由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，會產(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。焊接過程中的殘余應(yīng)力焊接過程是材料熱加工的重要方式，在焊接過程中熱量輸入會引起材料的局部高溫，以及隨后冷卻過程中的溫度梯度。這種溫度變化會造成材料內(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)力焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會影響焊接接頭的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性，因此需要對其進(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)化是指利用高速沖擊的丸粒對工件表面進(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，保溫一段時間后，再緩慢冷卻。熱處理過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力在冷卻過程中無法完全釋放，就會形成殘余應(yīng)力。不同的熱處理工藝會產(chǎn)生不同類型的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的測量方法X射線衍射法利用X射線衍射原理分析材料晶格結(jié)構(gòu)，測量殘余應(yīng)力。廣泛應(yīng)用于金屬材料，可測量表面和內(nèi)部應(yīng)力。中子衍射法使用中子束照射材料，通過測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，測量孔周圍的應(yīng)變變化，計算殘余應(yīng)力大小和方向。適用于各種材料。X射線衍射法測量殘余應(yīng)力X射線衍射儀X射線衍射法利用X射線照射材料表面，測量衍射角變化，分析晶格畸變。晶格畸變分析通過分析衍射圖樣，可以確定晶格常數(shù)變化，進(jìn)而計算殘余應(yīng)力。微觀結(jié)構(gòu)分析X射線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)勢中子衍射法具有穿透力強(qiáng)，對材料成分影響小，適合測量深層殘余應(yīng)力等優(yōu)點，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、汽車制造、機(jī)械加工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?？紫夺尫欧y量殘余應(yīng)力原理孔隙釋放法利用在材料上鉆孔，通過測量鉆孔周圍的應(yīng)力變化來計算殘余應(yīng)力。鉆孔過程會改變材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)用該方法適用于測量各種材料的殘余應(yīng)力，包括金屬、陶瓷、復(fù)合材料等。它尤其適用于測量表面附近或薄壁結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。優(yōu)點相對簡單易行測量精度較高適用于各種材料缺點需要對材料進(jìn)行破壞性測試測量結(jié)果受孔徑和孔深影響不適用于測量深層殘余應(yīng)力應(yīng)變片測量殘余應(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)變片測量的應(yīng)變值，結(jié)合材料的彈性模量，計算出殘余應(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測量結(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)力釋放到切縫周圍的區(qū)域，從而改變該區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變測量使用應(yīng)變片或其他應(yīng)變測量儀器測量切縫周圍區(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)變測量數(shù)據(jù)和切縫的幾何形狀，通過數(shù)學(xué)模型或數(shù)值模擬計算出殘余應(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)力腐蝕開裂。疲勞壽命降低殘余應(yīng)力會降低材料的疲勞強(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)致零件在使用過程中發(fā)生斷裂或失效。高溫下的應(yīng)力腐蝕開裂環(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)力會導(dǎo)致材料的疲勞壽命降低。應(yīng)力集中會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)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂是一種金屬材料在拉伸應(yīng)力作用下，同時受到腐蝕介質(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)力對焊接質(zhì)量的影響焊接變形殘余應(yīng)力會導(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)力過大會造成焊接接頭產(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)力對零件使用性能的影響11.疲勞壽命殘余應(yīng)力會影響材料的疲勞壽命，拉應(yīng)力會縮短疲勞壽命，壓應(yīng)力會延長疲勞壽命。22.應(yīng)力腐蝕開裂殘余應(yīng)力會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂，尤其是在腐蝕性環(huán)境中使用零件時，拉應(yīng)力會加劇應(yīng)力腐蝕開裂。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，焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能會導(dǎo)致零件變形。如何評估殘余應(yīng)力對零件性能的影響材料性能殘余應(yīng)力會影響材料的屈服強(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，它會導(dǎo)致材料的脆化和失效。零件使用壽命殘余應(yīng)力會影響零件的使用壽命，例如，應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞失效都與殘余應(yīng)力有關(guān)，過高的殘余應(yīng)力會縮短零件的使用壽命。加工過程殘余應(yīng)力會影響加工過程，例如，在切削加工中，殘余應(yīng)力會影響刀具的磨損和切削質(zhì)量，在焊接過程中，殘余應(yīng)力會影響焊接接頭的強(qiáng)度和可靠性。零件功能殘余應(yīng)力會影響零件的功能，例如，在彈簧中，殘余應(yīng)力會影響彈簧的剛度和性能，在齒輪中，殘余應(yīng)力會影響齒輪的傳動效率和磨損壽命。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程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。冷軋過程中的殘余應(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。張力控制通過控制軋制過程中的張力，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)會影響焊接過程中的熱輸入和冷卻速度，進(jìn)而影響殘余應(yīng)力。通過優(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。后熱處理可以通過高溫回火來消除或降低殘余應(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，可通過調(diào)整加熱和冷卻速度來實現(xiàn)。緩慢冷卻快速冷卻等溫淬火控制目的控制殘余應(yīng)力可以優(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)力腐蝕開裂風(fēng)險改善抗磨損性能殘余應(yīng)力的檢測與分析精確測量運(yùn)用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行精確測量，獲得可靠數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析利用專業(yè)軟件分析數(shù)據(jù)，揭示殘余應(yīng)力分布和影響。結(jié)果解讀專家解讀分析結(jié)果，給出針對性建議和解決方案。如何基于殘余應(yīng)力優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計1產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，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檢測分析檢測分析殘余應(yīng)力，評估影響基于殘余應(yīng)力優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，需要從多個方面考慮。首先，要選擇適合的材料，并根據(jù)其對殘余應(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，要對殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測分析，評估其對產(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。殘余應(yīng)力對制造過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，如焊接過程中的裂紋或熱處理過程中變形。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，降低生產(chǎn)成本。殘余應(yīng)力對材料性能的影響強(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，減緩腐蝕過程。塑性殘余應(yīng)力會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.過程控制通過優(yōu)