應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力

1、應(yīng)力集中材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞就可能發(fā)生。另外材料會(huì)由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。 對(duì)于組織均勻的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，這在構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。(材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞就可能發(fā)生。另外材料會(huì)由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。一，應(yīng)力集中：在零件截面尺寸突然改變時(shí)，應(yīng)力分布并不均勻，如在開(kāi)口，尖角處應(yīng)力劇烈增大這種現(xiàn)象稱為-應(yīng)力集中二. 靜載荷1.1. 塑性材料由于有屈

2、服階段，可以使應(yīng)力集中趨于平均，因此不會(huì)發(fā)生脆性斷裂。2.2.脆性材料沒(méi)有屈服階段，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度極限時(shí)，發(fā)生脆性斷裂。三. 交變載荷在此載荷下塑性材料也可發(fā)生脆性斷裂：(以下為材料力學(xué)語(yǔ))在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力較高的點(diǎn)，逐步形成細(xì)微裂紋，裂紋尖端應(yīng)力嚴(yán)重集中，使裂紋逐步擴(kuò)大，構(gòu)件截面不斷削弱，在偶爾的超載沖擊下，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生突然的脆性斷裂。”) 承受軸向拉伸、壓縮的構(gòu)件，只有在寓加力區(qū)域稍遠(yuǎn)且橫截面尺寸又無(wú)急劇變化的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應(yīng)力才是均勻分布的。然而工程中由于實(shí)際需要，某些零件常有切口、 切槽、螺紋等，因而使桿件上的橫截面尺寸發(fā)生突然改變，這時(shí)，橫截面上的應(yīng)力不再均勻分布

3、，這已為理論和試驗(yàn)所證實(shí)。如圖 2-31a2-31a所示的帶圓孔的板條，使其承受軸向拉伸。由試驗(yàn)結(jié)果可知：在圓孔附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力急劇增大，而在離開(kāi)這一區(qū)域稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力迅速減小而趨于均勻 (圖 2 2 31b)31b)。這種由于截面尺寸突然改變而引起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。在 I I I I 截面上，孔邊最大應(yīng)力 與同一截面上的平均應(yīng)力 仃 之比，用表示(2(2 - - 17)17)crcr稱為理論應(yīng)力集中系數(shù)，它反映了應(yīng)力集中的程度，是一個(gè)大于 1 1 的系數(shù)。而且試驗(yàn) 結(jié)果還表明：截面尺寸改變愈劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)就愈大。因此，零件上應(yīng)盡量避免帶尖 角的孔或槽，在階梯桿截面的突

4、變處要用圓弧過(guò)渡。在靜荷作用下，各種材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度是不相同的。像低碳鋼那樣的塑性材料具有屈服階段，當(dāng)孔邊附近的最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，該處材料首先屈服，應(yīng)力暫時(shí)不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服的材料所承擔(dān)，使截面上其它點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)力逐漸趨于平均，如圖2-322-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在靜荷作用下可以不考慮應(yīng)力集中的影響。而對(duì)于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當(dāng)孔邊最大應(yīng)力的值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，其危害是嚴(yán)重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也

5、應(yīng)考慮應(yīng)力集中對(duì)材料承載能力的影響。然而，對(duì)于組織不均勻的脆性材料， 如鑄鐵，其內(nèi)部組織的不均勻性和缺陷，往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應(yīng)力集中就可能成為次要的了，它對(duì)構(gòu)件承載能力不一定會(huì)造成明顯的影響。四.消除應(yīng)力(倒角一般是為了去除毛刺，而倒圓角是為了消除應(yīng)力集中。大部分情況是去除毛刺，但在 安裝密封圈的溝槽，則不能倒角以防止刮傷密封圈，應(yīng)倒小圓角；在尺寸突然變化很大的 地方，應(yīng)倒圓角以消除應(yīng)力；有熱處理要求的工件，根據(jù)情況應(yīng)盡量倒小圓角。) )殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是衡量零件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)。用能量作功的方法可以加深對(duì)殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)：外力使零件變形，其

6、中引起塑性變形 的外力作的功以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當(dāng)外力消除以后，應(yīng)力不均勻的能量要afsa施放出來(lái)，引起了零件緩慢地變形，即殘余應(yīng)力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來(lái)為止，變形結(jié)束。尤其在儀器生產(chǎn)中，殘余應(yīng)力可能使整臺(tái)儀器喪失精度而成 為廢品。應(yīng)當(dāng)了解殘余應(yīng)力的“緩釋”特點(diǎn)，熟悉殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因，掌握減小和消除殘余應(yīng)力的技術(shù)手段。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生在機(jī)械制造中，各種工藝過(guò)程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生 殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為：1.1. 不均勻的塑性變形；2.2. 不均勻的溫度變化；3.3. 不均勻的相變。殘余應(yīng)力的作用機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的

7、殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定 性和使用壽命有著十分重要的影響。適當(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而 延長(zhǎng)零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕， 失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開(kāi)裂等早期失效事故。殘余應(yīng)力的調(diào)整針對(duì)工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對(duì)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應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問(wèn)題。通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：1,1, 加熱，即回火處理，利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力。2,2, 施加靜載，使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑

8、性變形，也可以調(diào)整工件的殘余 應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā) 生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。3,3,振動(dòng)時(shí)效，英文叫做 VibrationVibration StressStress Relief,Relief, 簡(jiǎn)稱 VSRVSR。在國(guó)際上，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó) 家起始于上世紀(jì) 5050 年代，我國(guó)從 7070 年代研究和推廣。振動(dòng)消除應(yīng)力主要特點(diǎn)：(1)(1)、處理時(shí)間短；(2)(2)、適用范圍廣;(3)(3)、能源消耗少;(4)(4)、設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)便。4.4.錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強(qiáng)化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強(qiáng)化零件的手段，噴丸的 同時(shí)

9、也改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布， 而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強(qiáng)化機(jī)理中的重要因素。殘余應(yīng)力的測(cè)量方法殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可以分為有損和無(wú)損兩大類。有損測(cè)試方法就是應(yīng)力釋放法，也可以稱為機(jī)械的方法；無(wú)損方法就是物理的方法。機(jī)械方法目前用得最多的是鉆孔法(盲孔法)，其次還有針對(duì)一定對(duì)象的環(huán)芯法。物理方法中用得最多的是 X X 射線衍射法，其他主要物理方法還有中子衍射法、磁性X X 射線衍射法依據(jù) X X 射線衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏觀上可以準(zhǔn)確測(cè)定的 衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關(guān)系。材料中的應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變必然表征為晶面間距的相對(duì)變化。當(dāng)材料中有應(yīng)力b 存在時(shí)，其晶面間距 d d 必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化， 按照布拉格定律，衍射角 2 2。也 會(huì)相應(yīng)改變。因此有可