结构材料中的残余应力.doc

2 结构材料中的残余应力2.1 残余应力的定义通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并保持自身平衡的应力叫做内应力 3 。依据德国学者E. Macherauch于1973年提出的分类方法 ，内应力可以分为以下三类：第I类内应力（I）在较大的材料区域（多个晶粒范围）内几乎是均匀的。第II类内应力（II）在材料较小范围（一个晶粒或晶粒内的区域）内近乎均匀。第III类内应力（III）在极小的材料区域（几个原子间距）内也是不均匀的。图1.1给出了按上述方法分类的一种单相多晶体材料中的三类应力的物理模型 5。图中（x, y）处的重的内应力在y方向的分量在数值上可用下式表述：IIIIII (1.1)其中 I多个晶粒 (1.2) II一个晶粒I (1.3)III（III）在（x,y）点上 (1.4)Fig1.1 Diagrammatic drawing of internal stress classification图1.1 内应力分类示意图残余应力是第I类内应力的工程名称，也被称为“宏观应力”（Macro Stress）。2.2 残余应力产生的原因残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料的弹性各向异性的反映。残余应力产生的原因主要有 4，5：i）不均匀塑性变形导致不同部分之间相对的压缩或拉伸形变产生残余应力。例如弯曲、压缩、滚压、切削、喷丸、拉拔等加工方式都能引起不均匀塑性变形。ii）热影响产生残余应力。热对残余应力产生的影响是复杂的。加热、冷却过程中材料内各部分之间会存在温度梯度，就会产生不均匀膨胀，从而产生热应力；而当组织转变引起材料内部产生不均匀的体积变化时，则产生相变应力。例如当钢铁材料从高温迅速冷却发生马氏体相变时，表层淬火后马氏体膨胀受到心部的阻碍在表面形成残余压应力。iii）化学作用产生残余应力。这时的残余应力是由于表面向心部传递的化学变化或物理变化而产生的。例如钢渗碳、渗氮后，表面形成比容较大的化合物，从而产生残余压应力。2.3残余应力的调整与消除在工件的冷热加工和热处理过程中，往往会引入残余应力。残余应力的存在对材料的使用性能有很大的影响，尤其是残余拉应力的存在降低了材料的疲劳强度，缩短了零部件的使用寿命，以及降低了材料的抗应力腐蚀性能。因此针对工件的具体服役条件，须采取一定的措施来消除或降低对其性能不利的残余拉应力。以下简单介绍几种消除或调整残余应力的方法。2.3.1加热方法(Heat treatment)该方法是一种传统的消除残余应力的方法。它利用残余应力的热松弛效应来消除或调整残余应力。采用加热方法调整残余应力时，只要工艺得当，一般可达到充分消除残余应力的目的。但与此同时材料的力学性能如强度、硬度等会发生变化。温度较高时还伴有表面氧化等缺陷。而且加热的方法往往要消耗大量的能源。尤其是大型铸、焊件的整体加热时，生产周期长，成本高。2.3.2振动时效（VSR：Vibration Stress Relief）振动消除残余应力是20世纪60年代发展起来的一种消除残余应力的方法，它通过施加循环载荷达到消除残余应力的目的。由于处理时间短，使用范围广，能耗低，操作简单，而且不改变材料的组织结构，这种方法引起了人们的重视，在最近几十年来得到了迅速的发展。2.3.3脉冲磁场处理(Pulsed Magnetic Treatment)该方法是将铁磁性材料放在高频或低频交变脉冲磁场中处理，磁场的磁致塑性效应致使位错运动，从而引起残余应力的松弛 12。这种方法处理并不改变材料的组织结构，而且仍然保持材料良好的力学性能。这种方法处理时间短（几百微秒），能耗低，但是只对铁磁性材料有效。2.3.4超声冲击(Ultrosonic Impact Treatment)最早把超声技术用来处理金属材料是在上个世纪五十年代末期。80年代初，俄罗斯科学家Statnikov研制了一套便携式超声处理设备，并把超声冲击技术用以处理焊缝。该方法是采用大约27，000Hz的超声波冲击样品使其产生塑性变形，从而引入对材料力学性能有利的残余压应力达到调整残余应力的目的。这种处理方法与常规喷丸的作用机理相似，可以有效的提高疲劳裂纹萌生的门槛值和疲劳极限。2.3.5电脉冲处理（Electropulse Treatment）高密度脉冲电流对材料的处理过程是一个非平衡过程，它会引起材料性能的很大变化。电流与材料相互作用时会产生多种效应，如电致迁移、电致塑性、电致超塑性及电致结构弛豫等。2.4 残余应力对材料力学性能的影响2.4.1 对静强度的影响材料受静载时，残余应力可以看作是一个预加载荷叠加在外载荷上，它对材料静强度的影响取决于材料塑性变形的可能性。如果材料为韧性或所承受的应力状态较软，则当叠加应力达到材料的弹性极限时，残余应力开始松弛，超过屈服强度时几乎全部松弛，此时残余应力对静强度影响不大。若材料的屈强比很高，其塑性变形量很小，则应考虑残余应力对材料静强度的影响。2.4.2 对金属抗应力腐蚀性能的影响各种统计资料表明，应力腐蚀破坏事故已占Cr-Ni不锈钢整个湿态腐蚀破坏事故的首位，高达40607，而由于残余拉应力的存在引起的不锈钢应力腐蚀事故约占总的事故数的808。从残余应力的角度出发，目前一般采用两种方法预防应力腐蚀的发生：消除残余拉应力和引入残余压应力。消除残余拉应力的方法主要湿去应力退火；目前一般采用喷丸强化的方法在材料表层引入残余压应力。喷丸强化使材料的应力腐蚀断裂的时间延长，并使临界应力大幅度提高。喷丸后形成的残余压应力和高的位错密度是改善不锈钢抗应力腐蚀性能的两个重要原因。2.4.3 对疲劳强度的影响著名疲劳专家Manson在上个世纪70年代就指出，延长疲劳寿命的最有效途径可能是引入残余应力9。残余应力对疲劳强度的影响主要是提高材料高周疲劳的抗力，对于应变控制的低周疲劳一般不会显示出多大的作用。残余应力对裂纹扩展的影响要比它对裂纹萌生的影响大得多。残余压应力的存在可有效得的抑制裂纹的扩展10。对于残余应力对裂纹扩展的影响目前一般采用两种不同的途径进行解释，一种是残余应力强度因子法，根据断裂力学叠加原理，认为存在残余应力时的有效应力强度因子是外载引起的应力强度因子和残余应力引起的应力强度因子之和。这种方法完全建立在线弹性断裂力学的基础之上，不适用于弹塑性疲劳裂纹的扩展，而且该方法没有考虑到裂纹的闭合问题。另外一种途径是考虑残余应力对裂纹闭合的影响。2.5 残余应力的测定方法目前测定残余应力的方法多种多样，根据测试方法对被测试件是否造成损坏，可将其分为有损测试法和无损测试法两大类。前者已机械方法为主，其原理是用机械加工的方法将零件一部分除去，释放部分或全部残余应力并造成相应的位移与应变，然后在某些部位测量这些位移或应变，通过力学分析推算除原始存在的残余应力。例如钻孔法、环芯法等都属于机械方法。无损检测残余应力的方法大多属于物理方法，其原理是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力（或应变）间的关系，通过测定该物理量推算出残余应力来，例如X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声法等。2.5.1 钻孔法图1.2 钻孔法应力释放原理图钻孔法在我国又称为小孔法或盲孔法，由J. Mathar于1934年首先提出，后经许多人的研究改进后形成的一项比较成熟的通过钻小孔测量构件残余应力的方法和技术。Fig 1.2 diagrammatic layout of stress release by hole-drilling method其基本原理如图1.2所示11。一块各项同性的板材中假定存在残余应力sr，若钻一小孔，则孔边的径向应力释放后为零，孔周边区域的应力也将重新分布，应力变化的曲线如图。曲线上方阴影线的区域为释放应力。由图可见，在孔周边区域释放应力的梯度很大，离孔边越近，释放的应力越大。采用专门的箔式应变花和电阻应变仪来测量孔周围释放的应变推算出残余应力。 2.5.2 磁性应变法12磁性法是无损检测残余应力的有效方法之一，只能应用于铁磁性材料。其测量的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化。反之，铁磁体在应力的作用下其磁化状态（导磁率和磁感应强度等）也会发生变化，通过测量磁性变化课业测定铁磁性材料中的应力。铁磁性材料在受力不大时其导磁率的相对变化量与应力之间存在下列关系： (1.5)其中l0为初始磁致伸缩系数，m0为材料无应力时的导磁率，s为作用的应力，ms为材料应力减少后的导磁率，为导磁率的变化量。2.5.3 环芯法环芯法又称为圆环法或切槽法，由德国的Milbradt于1951年最先提出12。目前德、美、法、日等国家已将环芯法列为汽轮发电机组转子部件残余应力测定的标准方法。Fig 1.3 Diagrammatic drawing of measuring residual stress by the ring-core method图1.3 环芯法测残余应力示意图环芯法测定残余应力的基本原理可用图1.3来说明13。假定在各向同性材料上某一区域存在双向残余应力场，其最大、最小主应力分别为s1和s2。在该区域表面贴一应变花，再以应变花为中心加工一个直径为d，槽深为h的圆环槽。这样环芯区域的残余应力被部分或全部释放（释放程度与槽深有关）， 通过应变花感受到释放的应变，根 据测得的释放应变计算出残余应力的大小和方向。2.5.4 声弹性法14声弹性法测定应力时无损测量方法中颇具发展潜力的一种方法。它通过超声波在材料内部的传播特性，利用应力引起的声双折射效应测量出超声传播路径的平均应力。因此又被称为超声法。在各向异性的固体中超声横波传播速度与应力之间的关系为： (1.6)式中a是材料各项异性系数，VT, 1,VT,2分别为超声横波沿两个主应力s1，s2方向传播的两个横波分量的传播速度，VT, 0为超声横波在无应力各向同性固体中的传播速度，ST为横波应力常数。超声纵波垂直于平面应力作用面传播时，其传播速度与应力之间的关系为： (1.7)式中VL为超声纵波在各向异性固体中得传播速度，VL, 0是超声纵波在无应力各向同性固体中的传播速度，SL为纵波应力常数。通过实验方法得到材料的a，ST及SL，并测出无应力状态材料的VT, 0和 VL, 0，然后在有应力的试件上测出VT, 1,VT,2及VL，通过式(1.7)和式(1.8)，便可求得两主应力。2.5.5 X射线衍射法15X射线衍射法是一种实验应力分析方法，它利用X射线衍射技术测量存在与多晶材料表面的残余弹性应变，从而算出残余应力。Fig 1.4 Relations of crystal face spacing d and Prague angle q and y 1 - diffraction crystal-2 - the sample surface 3 - ray-4 - diffraction line图1.4 晶面间距d