殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除

1、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、釋放與測(cè)量一、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因歸結(jié)為三類： 一是不均勻的塑性變形 ; 二是 不均勻的溫度變化；三是不均勻的相變。根據(jù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力機(jī)理的不同， 可將其分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力， 車軸熱處理后的殘余應(yīng)力是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的綜合作用結(jié)果。 由于 構(gòu)件、外部溫度不均，引起材料的收縮與膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為“熱 應(yīng)力”。熱應(yīng)力是由于快速冷卻時(shí)工件截面溫差造成的，淬火冷卻速 度與工件截面尺寸共同決定了熱應(yīng)力的大小。 在相同冷卻介質(zhì)的情況 下，淬火加熱溫度越高、截面尺寸越大、鋼材熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)越 大，均能導(dǎo)致淬火件外溫差增大，熱應(yīng)力越大。 而加工過(guò)程中，由工 件外組織轉(zhuǎn)變的時(shí)刻

2、不同多引起的應(yīng)力成為“組織應(yīng)力” 。淬火時(shí)， 表層材料先于部開始馬氏體的相變， 并引起體積膨脹， 由于表層的體 積膨脹受到未轉(zhuǎn)變的心部的牽制， 于是在試樣表層產(chǎn)生壓應(yīng)力， 心部 產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著冷卻的進(jìn)行，心部體積膨脹有收到表層的阻礙。隨 著心部馬氏體相變的體積效應(yīng)逐漸增大， 在某個(gè)瞬間組織應(yīng)力狀態(tài)暫 時(shí)為零后， 式樣的組織應(yīng)力發(fā)生反向， 最終形成表層為拉應(yīng)力而心部 為壓應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。 組織應(yīng)力大小與鋼的含碳量、淬火件尺寸、在 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度圍的冷卻速度、鋼的導(dǎo)熱性及淬透性、加熱溫度、保 溫時(shí)間等因素有關(guān)。二、殘余應(yīng)力的釋放針對(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

3、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： 自然時(shí)效 把工件置于室外， 經(jīng)氣候、溫度的反復(fù)變化， 在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下， 使殘余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過(guò)一年自然時(shí)效 的工件，殘余應(yīng)力僅下降 2%10%，但工件的松弛剛度得到了較提 高，因而工件的尺寸穩(wěn)定性很好。 但由于時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 一般不采用。 熱時(shí)效熱時(shí)效是傳統(tǒng)的時(shí)效方法， 利用熱處理中的退火技術(shù)， 將工件加熱到 500650進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。 在熱作用下通 過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形使應(yīng)力消除。 從理論上講采用熱時(shí)效， 只要退 火溫度和時(shí)

4、間適宜， 應(yīng)力可以完全消除。 但在實(shí)際生產(chǎn)?？梢韵龤?余應(yīng)力的 70 80%，但是它有工件材料表面氧化、 硬度及機(jī)械性能下 降等缺陷。 振動(dòng)時(shí)效 振動(dòng)時(shí)效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振， 松 弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件 產(chǎn)生局部的塑性變形， 從而使殘余應(yīng)力得到釋放， 以達(dá)到降低和調(diào)整 殘余應(yīng)力的目的。其特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用圍廣、能源消耗少、設(shè) 備投資小，操作簡(jiǎn)便，因此振動(dòng)時(shí)效在 70 年代從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)后在 國(guó)被大力推廣。 靜態(tài)過(guò)載法靜態(tài)過(guò)載法是以靜力或靜力矩的形式， 暫時(shí)加載于構(gòu)件上， 并在這種 載荷下保持一段時(shí)間， 從而使零件尺寸精度

5、獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。 用 于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來(lái)應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材 料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過(guò)載法的精度穩(wěn)定性效果， 取決于附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時(shí)間。特別指出，靜態(tài)過(guò)載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。 熱沖擊時(shí)效法1970 年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。其 實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱， 使加熱過(guò)程中造成的熱應(yīng)力正好與殘 余應(yīng)力疊加， 超過(guò)材料的屈服極限引起塑性變形， 從而使原始?xì)堄鄳?yīng) 力很快松弛并穩(wěn)定化。超聲波時(shí)效法超聲波時(shí)效法首先在前聯(lián)誕生， 并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣， 該方法起先 主要應(yīng)用于船舶、 核潛艇、 航空航天等對(duì)消除應(yīng)

6、力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng) 域。但是以上等可以在一定程度上減小殘余應(yīng)力值， 但都不能完全消除殘 余應(yīng)力，為了獲取比較好的應(yīng)力狀態(tài)采取以下表面處理：1、滾壓工藝 滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的可以顯著改善零件表面應(yīng)力 狀態(tài)從而提高其抗疲勞性能的終加工工藝手段。 可以產(chǎn)生很大的殘余 壓應(yīng)力和提高表面質(zhì)量。2、磨削工藝精磨工序加工得到的工件表面存在較高一致性殘余壓應(yīng)力。3、噴丸工藝4、表面淬火工藝 以上四種工藝都會(huì)對(duì)表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，既可以獲得較好的 表面組織，也可以調(diào)高表面殘余壓應(yīng)力，提高車軸的使用壽命。 三、殘余應(yīng)力的測(cè)量盲孔法盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的原理如圖 1 所示，假設(shè)一個(gè)各向同性材料 上某一區(qū)

7、域存在一般狀態(tài)的殘余應(yīng)力場(chǎng)， 其最大、最小主應(yīng)力分別為 1 和 2，在該區(qū)域表面上粘貼一專用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一 小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放， 從而在應(yīng)變花絲柵區(qū)域產(chǎn)生釋放應(yīng)變，根 據(jù)應(yīng)變花測(cè)量的釋放應(yīng)變就可以計(jì)算出殘余應(yīng)力：2252圖 1 盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量原理圖4A 1 34B( 13) 22 2 123EE134A 1 34B( 1 3 )2 2 1232 2 1 331EE12tg2(1)式（ 1）中：1、 2、3 三個(gè)方向釋放應(yīng)變；1、 2 最大、最小主應(yīng)力； 1 與 1 號(hào)片參考軸的夾角；E 材料彈性模量；A、B 兩個(gè)釋放系數(shù)。 其中 A、B 系數(shù)與鉆孔的孔徑、應(yīng)變花尺寸、孔深有關(guān)

8、 盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力的誤差主要有以下幾個(gè)因素：1、應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量。應(yīng)變片粘貼不好會(huì)引起數(shù)據(jù)漂移和精度 下降。2、鉆孔裝置安裝時(shí)的對(duì)中偏心引起的誤差。 鉆孔前必須用專用 對(duì)中顯微鏡調(diào)整中心位置。3、鉆孔時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)變。它可以用兩次鉆孔并改變鉆速的方 法減小附加應(yīng)變。4、釋放系數(shù) A、B值的誤差。（A、B 值的確定？）HT21B 型便攜式數(shù)字殘余應(yīng)力檢測(cè)儀主要用于盲孔法進(jìn)行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究， 還能在靜力強(qiáng)度研究中測(cè)量結(jié)構(gòu) 及材料任一點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器。 如果配用相應(yīng)的傳感器， 也可以 測(cè)量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。粘貼應(yīng)變片（1）將試件或彈性體表面貼片部位用細(xì)砂紙打磨去除氧化層，打磨方向應(yīng)與應(yīng)變片絲柵方向成 45左右。（如何確定 45方向？）（2）用脫脂棉棒蘸丙酮或無(wú)水乙醇將貼片部位擦洗干凈，將應(yīng) 變片粘貼面擦洗干凈。（3）確定好 45方向（ 4