殘余應(yīng)力對尺寸穩(wěn)定性的影響

殘余應(yīng)力對尺寸穩(wěn)定性的影響，沒有外力作用時，保持物體內(nèi)部平衡而存在的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)加殘奈應(yīng)力是?種固有應(yīng)力?即&沒汀外力作用時，物體內(nèi)部保摔自相平衡的應(yīng)去.關(guān)F殛奈疵力的分類還沒有朋施的分界線。殘余應(yīng)少按作用范圍常分為宏觀應(yīng)力和微觀隔力，其中宏觀殘余宛力分布在宏規(guī)范圍內(nèi).又稱為第-類殘余知力n可用物理或機械方法測得其大小、方向和性質(zhì)等°徵觀應(yīng)力是指分布在晶粒范圍內(nèi)部的成力-導(dǎo)致殘余應(yīng)力分類不明啪的女要原因在于殘余應(yīng)力本身所涉及的范「特很廣.另一個原因，可能楚111于測定時忘觀應(yīng)力借助于機械測定方法，而微觀應(yīng)力借助于物理泗壯方法’兩者測定的結(jié)果尚未有明確的關(guān)系侶％2.2殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因H-體地說，外在因素和材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分布不均是引起殘奈應(yīng)力產(chǎn)牛:的原因WL（1）不均勻塑性變形當工件被頗外部載荷時.巖「件產(chǎn)生不均勾的塑性變形.當外部戒荷卸裁肘*將導(dǎo)致工件產(chǎn)生不均*塑性變形部分內(nèi)嚴生殘余應(yīng)力。而當整卒工作內(nèi)部達到自相平衡時.朱發(fā)華:蟹性變僧的區(qū)域也會產(chǎn)生成來應(yīng)力，作用在工件上的不均勻裁荷是產(chǎn)生不均野變形的外住原因?例如彎曲、擠壓等。而物體內(nèi)務(wù)部分組織差異、品粒的位尚差或成分的差舁等是工件產(chǎn)生不均勻塑性變形的內(nèi)在原因B<2）熱加工引起殘奈應(yīng)力構(gòu)件在加熱、冷卻過樨中.出于椅溫下而服強度低.易于產(chǎn)生塑性變形』而山于何件的兒何形狀不肘禰、復(fù)北等，或是材料本身內(nèi)各部分的彈性.模地、宇熱系數(shù)，熱影藤系數(shù)等不『?；，芥部分的熱恃導(dǎo)狀態(tài)不同，因而堵成構(gòu)件產(chǎn)生不均勻的癟性變形，進而產(chǎn)生度未應(yīng)力?在冷卻時.材料內(nèi)部相變不均勻，在的部分完全相變終了，而有的部分相變尚未進行，或山于組織結(jié)構(gòu)其有濃度差時，沉淀析出不均勻?都會引起構(gòu)件材料體積變化不均勻，進而引起構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。2.3殘余應(yīng)力的影響材料內(nèi)部存在殘在應(yīng)力不僅會影響到材料自身的疲勞強度等性能，而且對工件尺寸穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響，包括零件變形和裂紋等缺陷。此外，加工或熱處理后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力狀態(tài)對零件的疲勞破壞、應(yīng)力腐蝕、脆性破壞和對構(gòu)件的靜強度的穩(wěn)定性等也都有極大影響。殘余應(yīng)力對靜力強度的影響。在-?定條件I',鋁合金鍛件在加載過程中失去塑性而處于脆性狀態(tài)。鍛件不能產(chǎn)生足夠的塑性變形，隨著材料的應(yīng)力峰位的增加，直至鍛件被破壞，殘余應(yīng)力在該情況卜會引起靜力強度的降低。殘余應(yīng)力對疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕性能的影響。鋁合金鍛件在鍛造后,表面受拉應(yīng)力，而芯部受壓應(yīng)力。大枇統(tǒng)計表明，80%的任故都是由］-殘余拉應(yīng)力的。在與腐蝕介質(zhì)相接觸一定時間后，鍛件表層的殘余拉應(yīng)力會加速裂紋的產(chǎn)生和擴展，從而降低鍛件的疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕性能。若此時對鍛件進行機械加工，必定對工件尺5度產(chǎn)生影響。改善材料的疲勞強度應(yīng)從降低鋁合金鍛件的應(yīng)力煲中著手網(wǎng)。文獻［27］對Cr-Ni不銹鋼制造熱交換設(shè)備中U形段彎曲半徑R與應(yīng)力腐蝕程度的關(guān)系進行了研究。研究結(jié)果表明U形管的彎曲半徑R越小，應(yīng)力腐蝕斷裂越嚴重。其中圖2-1是應(yīng)力腐蝕破損率與彎曲半徑關(guān)系的統(tǒng)計結(jié)果。常用的提高鋁合金鍛件疲勞強度及抗應(yīng)力腐蝕性能的方法有運用去應(yīng)力退火消除殘余拉應(yīng)力、噴丸強化工藝引入殘余壓應(yīng)力等【絢。<3)殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度及受壓焊件穩(wěn)定性的影響。鋁合金鍛件在殘余應(yīng)力和外載荷的樣加下，可能達到材料的屈服強度，材料局部產(chǎn)生塑性變形，使構(gòu)件有效橫面減小.從而降低了結(jié)構(gòu)的剛度。同理，受壓鋁合金焊件在荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力的登加卜，部分截面提前屈服而進入塑性狀態(tài)。仃效截面的減小引起構(gòu)件的慣性矩下降，降低了整體的穩(wěn)定性。尊曲學(xué)校R(mm)圖2-1熱交換器U形管應(yīng)力腐蝕破損率與彎曲辛祥佝關(guān)系2.4殘余應(yīng)力的測量近幾十年來，殘余應(yīng)力引起了國內(nèi)外學(xué)者的幣視。并對其測量開展了大敬的研究并取得了仃效的成果。殘余應(yīng)力的測量方法大體1?.可分為機械測吸方法和物理溫雖方法.從破壞性角度而分為有損檢測和無損檢測。2.4.1機械測量一般的，機械檢測可以視為《?損檢測，其包括裂紋柔度法、鉆孔法、取條法、切槽法、剝層法槽。機械測拍法又稱應(yīng)力釋放法,基木原理是利用機械加工的方法，對試樣進行破壞，如鉆孔、取條、開槽等.通遷釋放試樣中部分應(yīng)力而使材料產(chǎn)生相應(yīng)的位移和應(yīng)變，試樣加工處原仃的應(yīng)力則可通過測得的位移或應(yīng)變換算得到。以裂紋柔度法為例，簡要介紹機械測成的基本原理。1971年，Vaidyanathan和Finnic首次提出裂紋柔度法，其利用光彈性涂層法對裂紋不同深度處的應(yīng)力強度國子進行測屈，并計算殘余應(yīng)力129】。數(shù)年后，Cheng和Finnie對測試方法進行設(shè)進.采用應(yīng)變片溫的應(yīng)變或者位移法代之，簡化了實驗過程，并減少了數(shù)那分析的計算iftl3CkW，e在「件的表面引入一條裂紋來釋放殘余應(yīng)力，通過增加裂紋深度.測量指定點在不同裂紋深度下的應(yīng)變值來計算殘余應(yīng)力.琢為裂紋柔度法.裂紋柔度法作為種新型殘余應(yīng)力測屋方法.憑借其靈敏度高、矜度沖、愴;則成本低等優(yōu)點，逐漸得到國內(nèi)外瞬者青睞。國外學(xué)者Prime等最早在鋁合金序權(quán)、焊接件殘余應(yīng)力的測試中使用裂紋柔度法5國內(nèi)學(xué)者王秋成等人運用該方法檢測T7075鋁合金板中的殘余應(yīng)力網(wǎng).鋁合金航空構(gòu)件壞料多為浦0板材，設(shè)鋁合金板材的加工條件均對稱于板中面閔,假定殘余應(yīng)力%(S)僅沿鋁合金板材厚度方向(S向)變化，在長度、寬度方向均勻分布，其分布與深度s有關(guān)，將該相關(guān)函數(shù)按級數(shù)展開(3罰：%(s)=￡』/(S)=A4<2-1)<=i式中A.為待定系數(shù)；P閭為插值函數(shù)，可以是繆級數(shù)、傅立葉級數(shù)、勒讓德多項式或其他多項式。殘余應(yīng)力的測量轉(zhuǎn)化為對待定系數(shù)A的計算。在殘余應(yīng)力的'腐量中，如圖2-2所示，應(yīng)變片的應(yīng)變響應(yīng)值％隨裂紋深度句變化而變化。根據(jù)登加原理，將該應(yīng)變級數(shù)展開：f”,)=E?'，)=CA(2-2)Ml式中C,J為柔度函數(shù)。為了減小計算誤差，采用最小二乘法對計算所得的應(yīng)變值與實驗測得的應(yīng)變值進行擬合有：￡1>—回)-￡4弓穌舟=0(2-3)i=1,2.???.n式中m為試件厚度范圍內(nèi)應(yīng)變測旗次數(shù),實際測量中m遠大Fn°通過求解上述n個方程，可以得到方程中的待確定系數(shù)A.即4*0<2-4)k(Tran5vcrsc>Cut2tomeasurek(Tran5vcrsc>Cut2tomeasureo、圖2.2裂紋柔度法測試原理圖(Rolling)機械檢測法具仃應(yīng)變測仕的帶度高和乂敏度高的特點，但由于被測工件必將受到不同程度的破壞，致使它的實際應(yīng)用受到很大的限制。因此無損檢測就成為人們多年來努力探索的快E目前，無損測試殘余應(yīng)力的方法有X射線法、磁性法、中子衍射法及超聲法箸。以X射線檢測法為例，簡述其測量原理。X射線法不僅在測量理論而H在測咆技術(shù)方面都有JW著的進必無論是科研還是作為實際檢瀏方法.都得到廣泛使用。只有晶體材料才能便用X射線法測定殘余應(yīng)力。實際中，許許多多不規(guī)則的單晶微粒（簡稱品粒）組成了金屬材料。而在一個單品體中,一個指定的品面法線只指向空間一個方向。芥晶粒的品面法線方向在微小范圍內(nèi)往往足不?致的，旦其品面法線方向雜亂無黨?設(shè)某個指定方向晶而法線方向與試樣表面成任意的夾角為W，假定該金屬材料在其中一個小區(qū)域內(nèi)有足夠多的晶粒，央角V則在空間內(nèi)連續(xù)變化的。由于有足夠多的品粒，則在該區(qū)域必存在相氣平行的品面。當材料內(nèi)部存在找余應(yīng)力時，殘余應(yīng)力會改變平行晶面之間的距肉。與殘余應(yīng)力方向垂也的品界之間距離d因殘余應(yīng)力的作用增大，與殘余應(yīng)力方向平行的晶界之間距離d會因殘余應(yīng)力的作用減小。由F央角W則在空間內(nèi)連續(xù)變化的，那些既不平行又不垂直于殘余應(yīng)力方向的界血間距d隨夾角v連續(xù)變成。而間距d變化的速率反應(yīng)了作用在該區(qū)域殘余應(yīng)力的大小。將波長為X的X射線射以初始角度a射入晶體中,與殘余應(yīng)力方向平行的晶面會產(chǎn)生衍射，由布拉格公式可知,。角隨面間距d縮小而減小，而0是可測的。通過改變?nèi)肷浣莂,得到不同的0值，即可進而求出應(yīng)力e圖2-3為X射線表面應(yīng)力測定示意圖例L拍2?3X財淺衣而應(yīng)力測定示意圖X射線法所測定的應(yīng)變是品體材料的晶格應(yīng)變而不是宏觀應(yīng)變。雖然X射線沒有對試樣破壞，但其測雖要求較苛刻.被測材料在滿足多品體為各向同性的前提下?目.滿足虎克定律的細品粒金屬材料，才可以進行測量。X射線山于透入能力有限，只能對材料表面的應(yīng)力狀態(tài)進行測敬。若要對材料內(nèi)部應(yīng)力測定時，需結(jié)合其他剝除方法，逐層測定。與機械刪屆相比，X射線法所需設(shè)備價格昂貴，操作復(fù)雜，考慮因素較多，采集后的數(shù)據(jù)處理難度相比其它測定方法更大。同時.X射線對人身有危害。綜上所述，對于機械法，往往會在破壞的同時引入其他應(yīng)力或不能完全釋放試件本身的找余應(yīng)力0對于物理法，由丁?其測量的局限性及測裝?費用昂貴等,約束了K使用范圍。不論是機械法還是物理法，都不能準確的洲j;r材料內(nèi)部在在的殘余應(yīng)力。隨希微電子技術(shù)的發(fā)展和計算機的普及應(yīng)用，大量:仃限元軟件能預(yù)測淬火過程中溫度、組織缺陷、應(yīng)變的變化情況、應(yīng)力的分布等?？赏ㄟ^仿真對構(gòu)件中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因進行分析.并提出相應(yīng)的解決方案。有限元數(shù)值模擬方法用對實驗測最方法，更為經(jīng)濟、可靠。2.5殘余應(yīng)力研究近況殘奈應(yīng)力對I：件的形狀、尺寸和性能都有極為垂耍的影響°當它超過材料的屈服強度時，便引起工件的變形，超過材料的強度極限時就會使工件開裂。近年來，在設(shè)計機械零件時，要求材料能承受高功率、高速和高溫的傾向一年比-年更加另方而，在實際的設(shè)計和制造中,過去選擇材料以及對材料的技術(shù)要:求，主要是從經(jīng)濟觀點出發(fā)，而最近在技術(shù)上的應(yīng)用價值卻比經(jīng)濟價值更為重要，對材料的要求也越來越嚴格。因此，對殘余應(yīng)力的探討和研究，就極為重要。國內(nèi)外對侶合金淬火后的殘余應(yīng)力展開了研究,4,-50,o熱應(yīng)力足引起鋁合金淬火應(yīng)力的主要原因.工件接觸淬火介質(zhì)瞬間，其先接觸較低溫度的淬火介質(zhì)的表層，散熱速度快,而芯部的散熱速度慢，工件內(nèi)部形成溫度差”進而影響到材料不同不為體積收縮存在差異.淬火過程中，I：件外表所受拉應(yīng)力和芯部所受壓應(yīng)力隨溫按尤達到最大時，達到蟻大值，隨若淬火時間的推移，溫度差逐漸減小，工件應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)。坡終，工件外表呈壓應(yīng)力.芯部?呈拉應(yīng)力的狀態(tài)"叱可見.冷卻時的溫度差對殘余成力有著重要的影響。因此，為減小「?件淬火后的殘余應(yīng)力，可合理控制淬火速率,達到降低匚件表層和芯部的最大溫差的目的。由于淬火介質(zhì)溫度、淬火介質(zhì)濃度影響到淬火介質(zhì)的冷卻曲線。文獻［5】］從冷卻曲線的角度出發(fā)，對7075偌合金犀板淬火后殘余應(yīng)力的變化規(guī)律進行了研究。在相同實駁條件R勺采用水作為淬火介質(zhì)時匚件所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相比，鹽水溶液并不能降低試樣淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。PAG聚合物溶液和乳化液冷卻性能優(yōu)于林水。通過提5PAG聚合物溶液溫度和濃度，可有效降低鋁合金厚板淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力.尤其在工藝參數(shù)為30%濃度、40。（？的淬火介質(zhì)中.工件的殘余應(yīng)力及性能達到核優(yōu)；采用乳化液作為淬火劑能顯若地降低試樣淬火后產(chǎn)生的殘余熱成力。選擇何種淬火熱處理「?藝.成為影響殘余應(yīng)力大小的重要因素。日前的研究記要集中在毛坯初始殘余應(yīng)力的釋放與重分布引起的加I?變形問題。國內(nèi)外也對此展開了研究。Marusich等人對薄壁零件加工后尺寸的變形進行了仿真預(yù)治，提出走刀軌跡對加I.后變形的影響（％文獻［53］通過有限元軟件ABAQUS.采用準耦合方法，對7075鋁合金■&壞的淬火過程及材料去除進行了研究。得到了7075鋁合金毛坯的溫度的變化刊殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。其預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果非常近似，進?步證明了毛坯的初始殘余應(yīng)力是引起整體結(jié)構(gòu)件加I.變形的七要因素，同時驗證了準隅合淬火模擬的彳j效性。文獻［54］研究了鋁合金鍛件在沸水中淬火后的殘余應(yīng)力、機械性能、抗腐蝕性.得出在生產(chǎn)條件下鋁合金鍛件在沸水淬火后，在保障材料力學(xué)性能標準的要求下，降低了殘余應(yīng)力。這對選擇何種熱處理條件提供了很好的依據(jù)。對加「?中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，已有大敬文獻對影響其的研究。文獻［