第10讲残余应力案例.ppt

金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第十讲 Lesson Ten 第五章 塑性变形的不均匀性 主要内容 Main Content 变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力 5.4 残余应力 残余应力的概念 变形条件对残余应力的影响 残余应力引起的后果 减小残余应力影响的措施 残余应力的测定方法 残余应力的概念 残余应力为塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。 塑性变形的总位能是由释出位能和约束位能两部分所组成。释出位能用来确定平衡外力作用的内力的数值。而约束位能则是用来确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。因附加应力是由不均匀变形引起的相互平衡的内力所造成，所以约束位能也同样可确定在每一变形瞬间附加应力的数值。 虽然残余应力是变形完毕后保留在物体内的附加应力，但并不是所有的约束位能都用于形成残余应力，而是有部分位能在塑性变形中由于软化而被释放。因此，残余应力的位能应小于在整个塑性变形过程中用于形成附加应力的位能。 残余应力是由附加应力变化而来，所以残余应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应，残余应力也分为第一种、第二种和第三种残余应力。 变形条件对残余应力的影响 残余应力与附加应力一样也同样受到变形条件的影响。其中主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等等。 变形温度 在确定变形温度的影响时应注意到在变形过程中是否有相变存在。若在变形过程中出现双相系时，将会引起第二种附加应力的产生，从而使残余应力增大。 但在一般情况下，当变形温度升高时，附加应力以及所形成的残余应力减小。温度降低时，出现附加应力和从而出现残余应力的可能增大。因此，即使是对单相系金属也不允许将变形温度降低到某一定值以下。 在变形过程中温度的不均匀分布是产生极大附加应力的一个原因，自然也是产生极大残余应力的一个原因。如果变形过程在高于室温条件下完成时，具有某一数值的残余应力时，则此残余应力会因物体冷却到室温而增加。 变形速度 变形速度对残余应力也有如同对附加应力那样的影响。通常，在室温下以非常高的变形速度使物体变形时，其附加应力和残余应力有减小的趋势。而在高于室温的温度下，增大变形速度时，这些应力反而有可能增加。 变形程度 随着变形程度的增加，第一种附加应力，亦即残余应力开始急剧增加。当塑性变形达到20～25％时，应力达到最大值。当变形继续增加时，此应力将开始减小，并当变形程度超过52～65％时，应力几乎接近于零。变形程度的这种影响是指在低于0.3对应温度条件下进行的变形而言。当温度升高时，在较大的变形程度下才能使第一种残余应力达到最大值，并在高于60～70％的变形条件下，此应力也未降低到零。 变形程度对第二种和第三种残余应力的影响则是另一种情况。这些残余应力的数值将随变形程度的增加而增大，而且对于双相系和多相系，比对单相系提高得更强烈。 残余应力引起的后果 引起物体尺寸和形状的变化 当在变形物体内存在残余应力时，则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸和形状改变。 对于对称形的变形物体来讲，仅发生尺寸的变化，形状可保持不变。例如，当用表面层具有拉伸残余应力和心部具有压缩残余应力的棒材坯料在车床上车成圆柱形工件时，切削后由于具有拉伸残余应力的表面层被车削掉，成品工件的长度将有所增加。 若加工件是不对称的，则物体除尺寸变化外，还可能发生形状的改变。 引起残余应力的消失或减小的原因，除机械加工外还有时间的延长等因素。有时，具有残余应力的物体在热处理过程中，或受到冲击后也会发生尺寸和形状的变化。 使零件的使用寿命缩短 因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部分的工作应力为外力所引起的应力与此残余应力之和，有的部分为其差，这样就会造成应力在物体内的分布不均。此时工作应力达到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生断裂，从而缩短了零件的使用寿命。 降低了金属的塑性加工性能 当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，由于残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高，塑性降低。 降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。 减小残余应力影响的措施 残余应力是由附加应力的变化而来，其根本原因就是物体产生了不均匀变形，使在物体内出现了相互平衡的内力。因此，残余应力不仅产生在塑性加工过程中，而且也产生在不均匀加热、冷却、淬火和相变等过程中。 减小或消除残余应力的方法 减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形； 对加工件进行热处理； 进行机械处理。 减小不均匀变形 正确