第10講 殘余應(yīng)力-自學(xué)

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@華北理工大學(xué)金屬材料及加工工程系金屬塑性變形理論

第十講2第五章塑性變形的不均勻性主要內(nèi)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(yīng)力35.4殘余應(yīng)力(自習(xí)提綱)殘余應(yīng)力的概念變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力引起的后果減小殘余應(yīng)力影響的措施

殘余應(yīng)力的測(cè)定方法4殘余應(yīng)力的概念殘余應(yīng)力為塑性變形完畢后保留在變形物體內(nèi)的附加應(yīng)力。塑性變形的總位能是由釋出位能和約束位能兩部分所組成。釋出位能用來(lái)確定平衡外力作用的內(nèi)力的數(shù)值。而約束位能則是用來(lái)確定由塑性變形引起的相互平衡內(nèi)力的數(shù)值。因附加應(yīng)力是由不均勻變形引起的相互平衡的內(nèi)力所造成，所以約束位能也同樣可確定在每一變形瞬間附加應(yīng)力的數(shù)值。5雖然殘余應(yīng)力是變形完畢后保留在物體內(nèi)的附加應(yīng)力，但并不是所有的約束位能都用于形成殘余應(yīng)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(yīng)力的位能應(yīng)小于在整個(gè)塑性變形過(guò)程中用于形成附加應(yīng)力的位能。2023/2/16殘余應(yīng)力是由附加應(yīng)力變化而來(lái)，所以殘余應(yīng)力也是相互平衡的。并與附加應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，殘余應(yīng)力也分為第一種、第二種和第三種殘余應(yīng)力。2023/2/17變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力與附加應(yīng)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。2023/2/18變形溫度在確定變形溫度的影響時(shí)應(yīng)注意到在變形過(guò)程中是否有相變存在。若在變形過(guò)程中出現(xiàn)雙相系時(shí)，將會(huì)引起第二種附加應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使殘余應(yīng)力增大。但在一般情況下，當(dāng)變形溫度升高時(shí)，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力減小。溫度降低時(shí)，出現(xiàn)附加應(yīng)力和從而出現(xiàn)殘余應(yīng)力的可能增大。因此，即使是對(duì)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(guò)程中溫度的不均勻分布是產(chǎn)生極大附加應(yīng)力的一個(gè)原因，自然也是產(chǎn)生極大殘余應(yīng)力的一個(gè)原因。如果變形過(guò)程在高于室溫條件下完成時(shí)，具有某一數(shù)值的殘余應(yīng)力時(shí)，則此殘余應(yīng)力會(huì)因物體冷卻到室溫而增加。2023/2/19變形速度變形速度對(duì)殘余應(yīng)力也有如同對(duì)附加應(yīng)力那樣的影響。通常，在室溫下以非常高的變形速度使物體變形時(shí)，其附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。而在高于室溫的溫度下，增大變形速度時(shí)，這些應(yīng)力反而有可能增加。2023/2/110變形程度隨著變形程度的增加，第一種附加應(yīng)力，亦即殘余應(yīng)力開始急劇增加。當(dāng)塑性變形達(dá)到20～25％時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)變形繼續(xù)增加時(shí)，此應(yīng)力將開始減小，并當(dāng)變形程度超過(guò)52～65％時(shí)，應(yīng)力幾乎接近于零。變形程度的這種影響是指在低于0.3對(duì)應(yīng)溫度條件下進(jìn)行的變形而言。當(dāng)溫度升高時(shí)，在較大的變形程度下才能使第一種殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，并在高于60～70％的變形條件下，此應(yīng)力也未降低到零。變形程度對(duì)第二種和第三種殘余應(yīng)力的影響則是另一種情況。這些殘余應(yīng)力的數(shù)值將隨變形程度的增加而增大，而且對(duì)于雙相系和多相系，比對(duì)單相系提高得更強(qiáng)烈。2023/2/111變形程度和殘余應(yīng)力能量的關(guān)系曲線1.第一、第二及第三種殘余應(yīng)力總能的變化曲線；2.第一種殘余應(yīng)力能量變化曲線；3.第二及第三種殘余應(yīng)力總能量變化曲線2023/2/112殘余應(yīng)力引起的后果引起物體尺寸和形狀的變化當(dāng)在變形物體內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，則物體將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應(yīng)力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應(yīng)的變形也將發(fā)生變化，引起物體尺寸和形狀改變。2023/2/113對(duì)于對(duì)稱形的變形物體來(lái)講，僅發(fā)生尺寸的變化，形狀可保持不變。例如，當(dāng)用表面層具有拉伸殘余應(yīng)力和心部具有壓縮殘余應(yīng)力的棒材坯料在車床上車成圓柱形工件時(shí)，切削后由于具有拉伸殘余應(yīng)力的表面層被車削掉，成品工件的長(zhǎng)度將有所增加。2023/2/114若加工件是不對(duì)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(yīng)力的消失或減小的原因，除機(jī)械加工外還有時(shí)間的延長(zhǎng)等因素。有時(shí)，具有殘余應(yīng)力的物體在熱處理過(guò)程中，或受到?jīng)_擊后也會(huì)發(fā)生尺寸和形狀的變化。2023/2/115板材裁剪后的變形＋－＋2023/2/116使零件的使用壽命縮短因殘余應(yīng)力本身是相互平衡的，所以當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體受載荷時(shí)，在物體內(nèi)有的部分的工作應(yīng)力為外力所引起的應(yīng)力與此殘余應(yīng)力之和，有的部分為其差，這樣就會(huì)造成應(yīng)力在物體內(nèi)的分布不均。此時(shí)工作應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，物體將會(huì)產(chǎn)生塑性變形；達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，物體將會(huì)產(chǎn)生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。2023/2/117降低了金屬的塑性加工性能當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體繼續(xù)進(jìn)行塑性加工時(shí)，由于殘余應(yīng)力的存在可加強(qiáng)物體內(nèi)的應(yīng)力和變形的不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。2023/2/118降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。2023/2/119減小殘余應(yīng)力影響的措施殘余應(yīng)力是由附加應(yīng)力的變化而來(lái)，其根本原因就是物體產(chǎn)生了不均勻變形，使在物體內(nèi)出現(xiàn)了相互平衡的內(nèi)力。因此，殘余應(yīng)力不僅產(chǎn)生在塑性加工過(guò)程中，而且也產(chǎn)生在不均勻加熱、冷卻、淬火和相變等過(guò)程中。2023/2/120減小或消除殘余應(yīng)力的方法減小材料在加工和處理過(guò)程中所產(chǎn)生的不均勻變形；對(duì)加工件進(jìn)行熱處理；進(jìn)行機(jī)械處理。2023/2/121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(shè)計(jì)加工工具形狀盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻……2023/2/122對(duì)加工件進(jìn)行熱處理物體內(nèi)存在的殘余應(yīng)力可用退火、回火等方式來(lái)減小或消除。第一種殘余應(yīng)力可在回火中大大減小。在許多情況下，殘余應(yīng)力只存在再結(jié)晶時(shí)才能完全消除。因之，為完全消除殘余應(yīng)力，需要較高的溫度，有時(shí)也需要較長(zhǎng)的退火時(shí)間。這樣就有可能引起晶粒大小產(chǎn)生很大的變化和力學(xué)性能的改變。2023/2/123第二種殘余應(yīng)力在溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)的加熱過(guò)程中幾乎完全消除。第三種殘余應(yīng)力只有在再結(jié)晶過(guò)程中點(diǎn)陣完全恢復(fù)時(shí)才能消除。2023/2/124進(jìn)行機(jī)械處理機(jī)械處理方法是利用使物體表面產(chǎn)生很小的塑性變形的方法來(lái)減小殘余應(yīng)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。2023/2/125這種方法僅使工件產(chǎn)生表面變形，所以在變形中，于工件表面層中產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，在工件中層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。可見(jiàn)，此方法只能減小第一種殘余應(yīng)力，且只當(dāng)工件表面層中具有殘余拉應(yīng)力時(shí)才能適用。2023/2/126表面層中具有殘余拉應(yīng)力的板材經(jīng)表面輾壓后，其殘余應(yīng)力大為減小。在一定限度內(nèi)，表面變形越大，殘余應(yīng)力減小得越多。2023/2/127實(shí)驗(yàn)證明，拉制黃銅棒經(jīng)輾壓后，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力發(fā)生如圖所示的變化?？梢?jiàn)，表面變形可使原來(lái)的殘余應(yīng)力幾乎減小一倍，甚至可使表面拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。表面變形程度越大、殘余應(yīng)力減少得越多。但此變形程度不應(yīng)超過(guò)某一限度，一般是在1.5~3％以下。若超過(guò)此限度，會(huì)造成有害的后果，因?yàn)檫@樣不但不會(huì)減小殘余應(yīng)力，反而會(huì)使殘余應(yīng)力增加。2023/2/128黃銅捧在輾平前后的殘余應(yīng)力分布圖a－縱向應(yīng)力；b－切向應(yīng)力；c－徑向應(yīng)力(實(shí)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(yīng)力)2023/2/129殘余應(yīng)力的測(cè)定方法研究金屬物體內(nèi)殘余應(yīng)力的主要方法：機(jī)械法化學(xué)法X光法2023/2/130機(jī)械法用此方法可測(cè)定棒材、管材等一類物體內(nèi)的殘余應(yīng)力，其精確度可達(dá)每平方厘米內(nèi)幾千克。2023/2/131其具體測(cè)量方法是：截取一段長(zhǎng)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(nèi)部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除后測(cè)量試樣長(zhǎng)度的延伸率和直徑的延伸率。2023/2/132根據(jù)公式和繪制這些數(shù)值與鉆孔剖面積F的關(guān)系曲線。并用作圖法求出此曲線上任一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)和。2023/2/133變形與鉆孔橫斷面積關(guān)系2023/2/134縱向應(yīng)力切向應(yīng)力徑向應(yīng)力式中F2023/2/135化學(xué)法化學(xué)法是定性研究殘余應(yīng)力的一種方法。此方法是將試樣浸入到適當(dāng)?shù)娜芤褐校瑴y(cè)量出自開始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經(jīng)過(guò)時(shí)間，按此經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)判斷殘余應(yīng)力的大小。侵蝕試樣所用的溶液，對(duì)于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對(duì)于鋼可用弱堿及硝酸鹽類。

2023/2/136在判斷應(yīng)力的形式時(shí)，若出現(xiàn)橫向裂紋，則可認(rèn)為是縱向應(yīng)力作用的結(jié)果，若出現(xiàn)縱向裂紋，可認(rèn)為是橫向應(yīng)力作用的結(jié)果。在實(shí)際中準(zhǔn)確地確定裂紋出現(xiàn)的時(shí)間比較困難，不過(guò)與其它機(jī)械法相比較，還是可以定性地看出破裂時(shí)間與殘余應(yīng)力的關(guān)系。2023/2/137用化學(xué)侵蝕法及機(jī)械方法實(shí)驗(yàn)冷軋黃銅殘余應(yīng)力的比較曲線2023/2/138另一種化學(xué)方法是，將試樣吊浸在適當(dāng)?shù)娜芤豪铮粢欢〞r(shí)間來(lái)稱其重量。這樣就可以得到一個(gè)重量減小量與經(jīng)過(guò)時(shí)間的關(guān)系曲線。與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，以判定殘余應(yīng)力的大小。所得到的曲線的位置比標(biāo)準(zhǔn)曲線越高，則表示物體內(nèi)的殘余應(yīng)力越大2023/2/139用稱重法測(cè)定殘余應(yīng)力的試驗(yàn)曲線2023/2/140化學(xué)方法對(duì)于測(cè)定金屬絲，薄條等類型的工件內(nèi)的殘余應(yīng)力是十分合適的。同時(shí)定性地來(lái)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(yīng)力的大小也是很有用的。2023/2/141X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(diǎn)形狀的變化來(lái)定性地確定殘余應(yīng)力。當(dāng)無(wú)殘余應(yīng)力存在時(shí)，各干擾斑點(diǎn)呈點(diǎn)狀分布。有殘余應(yīng)力時(shí)，各干擾斑點(diǎn)伸長(zhǎng)，呈“星芒”狀。2023/2/142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2023/2/143用德拜法可以定量地測(cè)出所存在的殘余應(yīng)力。第一種殘余應(yīng)力可根據(jù)德拜圖上衍射線條位置的變化來(lái)確定。第二種和第三種殘余應(yīng)力可根據(jù)衍射線條的寬度變化和強(qiáng)度的變