应力集中的分析.doc

1. 应力集中的现象及概念 材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。 承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又 无急剧变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而工程中由于实际需要，某些零件常有切口、切槽、螺纹等，因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变，这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和试验所证实。 如图 2-31a 所示的带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。由试验结果可知 : 在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这一区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀 ( 图 2 31b) 。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。在 I I 截面上，孔边最大应力 与同一截面上的平均应力 之比，用 表示 称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于 1 的系数。而且试验结果还表明 : 截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。 在静荷作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不相同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力 达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，使截面上其它点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图 2-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对构件承载能力不一定会造成明显的影响。要想搞明白这个问题，我想先要搞明白什么是荷载力、什么是应力？简单地来说荷载力来源于动力源作用于工作终端，其力的大小为工作终端负苘加传动损耗，而应力则是由材料内部的分子发生错位（部分分子受拉力或热力作用其分子链被拉长、而有些分子则受压缩力或冷凝力的作用其分子被压缩，同时这两种变形的分子又相互作用在其过渡区域就会受两种作用力的影响，分子链也会受到破坏产生裂纹）而产生的作用。人们在生产实践中发现材料在受力情况下都会发生变形，其变形量与受力的大小及受力的区城大小有关，卸载后的剩余应力与局剖的变形量成正比，对台阶轴而言诺不加任何措施、由于作用区域小其作用力仅在轴的圆周面上产生作用，轴芯部分并不受，这种现象本人称它为集肤效应。因此此时的轴肩处的圆周面受到剪切变形，分子链相继受到破坏并向轴芯延伸最终导至轴颈断裂。若在轴肩处采用圆弧过度等措施，相对来说增加了作用区域（两作用力之间的距离增加，材料所允许的扭转角度就变大，随着轴的扭转角度的增加使得轴芯部分有更多的分子链来参加传递动力，这样每个分子链的负荷也就变小很多，轴的寿命也得以延长，值得注意的是这并不意味着此轴可永久使用，因为材料在受力的情况下都会受损，只不过程度不同，程度大的寿命短、程度小的寿命长，这也就是人们常说的疲劳寿命。现在再来解释过盈配合为什么在边缘处产生应力集中？因为是过盈，所以内外圈在接触表面都要产生变形，而不接触的其它表面不会变形。这样接触面区域是压应力，而在接触边缘处轴的材料必然出现拉应力以阻止轮毂边缘和接触区外的材料进一步变形。但配合面的母线是直线，在外力作用下必然要产生相同的变形量，为了协调，在接触边缘处的材料只有增大压缩变形量才能保持直线，因而这时边缘处的应力必然要比中间接触区域的应力高，也就是所谓的应力集中。实际上最根本的原因还是轮毂是有限长度，端面与内孔互相垂直，因而接触母线不连续。如果轴与轮毂是绝对等长的，那就不会出现应力奇异了。因此，在实际加工中，有经验的师傅往往将内孔加工为喇叭口，以此来减轻边缘的变形量，道理就在于此高速钢刀具淬火裂纹的原因分析及预防措施2009-08-03 16:16高速钢属莱氏体钢，含有大量合金元素，冶炼后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物(约占成分总量的18%22%)，这对高速钢刀具的淬火质量及使用寿命有很大影响。高速钢淬火温度接近熔点，淬火后组织中仍有25%35%的残余奥氏体，致使高速钢刀具容易产生裂纹和腐蚀。下面分析影响高速钢刀具淬火裂纹和腐蚀的原因，并提出相应预防措施。 1 高速钢原材料的冶金缺陷高速钢中所含大量碳化物硬而脆，为脆性相。一次共晶碳化物呈粗大骨骼状(或树枝状)分布于钢基体内。钢锭经开坯压延和轧制后，合金碳化物虽有一定程度的破碎和细化，但碳化物偏析依然存在，并沿轧制方向呈带状、全网状、半网状或堆积状分布。碳化物不均匀度随原材料直径或厚度的增加而增加。共晶碳化物相当稳定，常规热处理很难消除，可导致应力集中而成为淬火裂纹源。钢中硫、磷等杂质偏析或超标也是导致淬裂的重要原因。高速钢的导热性和热塑性差、变形抗力大，热加工时易导致金属表层和内层形成微裂纹，最终在淬火时因裂纹扩展而导致材料报废。大型钢锭在冶炼、轧制或锻造等热加工过程中形成的宏观冶金缺陷如疏松、缩孔、气泡、偏析、白点、树枝状结晶、粗晶、夹杂、内裂、发纹、大颗粒碳化物及非金属夹渣等均易导致淬火时应力集中，当应力大于材料强度极限时便会产生淬火裂纹。 预防措施为：选用小钢锭开坯轧制各种规格的刀具原材料；选用二次精炼电渣重熔钢锭，它具有纯度高、杂质少、晶粒细、碳化物小、组织均匀、无宏观冶金缺陷等优点；对不合格原材料进行改锻，击碎材料中的共晶碳化物，使共晶碳化物不均匀度3级；采取高温分级淬火、再高温回火的预处理工艺，通过精确控温等措施，可有效避免高速钢原材料冶金缺陷引起的淬火裂纹。 2 高速钢过热、过烧组织高速钢过热、过烧组织的特点为晶粒显著粗化，合金碳化物出现粘连、角状、拖尾状及沿晶界呈全网状、半网状或连续网状分布；钢组织内部局部熔化出现黑色组织或共晶莱氏体，形成过烧组织，显著降低晶间结合力和钢的强韧性。引起高速钢过热、过烧组织的主要原因有：淬火加热温度过高，测温和控温仪表失准；盐浴炉淬火加热时，因盐浴表面烟雾导致辐射高温计测温出现误差；变压配电盘磁力开关失灵；刀具加热时离电极太近或埋入炉底沉积物中；原材料存在大量角状碳化物或碳化物不均匀度等级太高等。高速钢过热、过烧组织极易导致淬火裂纹。 预防措施为：严格控制原材料质量，共晶碳化物级别应33.5级；原材料入库和投产前应作金相检查，确保无宏观冶金缺陷；刀具淬火加热前用试片校验高温盐浴炉，检查晶粒等级与淬火加热温度的关系是否合理(参见下表)；采用微机控温与测温，测温精度达到1.5。 共晶碳化物不均匀度等级出现过热(晶粒度8#)的淬火温度(5)3 12603.5 12504.5 12457.5 12408.5 12303 萘状断口萘状断口是高速钢常见的组织缺陷，断口呈鱼鳞状，类似大理石，具有萘的光泽，断口极粗糙，晶粒粗大(可达1mm)。由于材料脆性大，强韧性低，高温奥氏体化淬火时容易形成淬火裂纹。在热锻、轧制、压延等热加工时，经10501100高温奥氏体化，热塑性变形在5%10%临界变形、精锻温度不当及重复淬火时未经中间退火(或退火不充分)等因素均易形成萘状断口，导致淬火裂纹。 预防措施为：合理选择精锻温度，严格控制终锻温度(1000)，锻后缓冷；锻坯淬火前应充分退火；避免在5%10%临界变形；进行超晶粒细化处理等。采取以上措施可有效抑制高速钢萘状断口的形成，避免产生淬火裂纹。 4 机械设计与冷加工不当引起应力集中刀具厚薄不均、因棱角、锐边、尖角、沟槽、孔、凸台等形状突变而产生缺口效应以及冷加工表面粗糙、刀纹较深、存在碰伤及打标记等均可导致高速钢刀具淬火时应力集中，从而诱发淬火裂纹。如刀具淬火前存在较大冷加工内应力(尤其是磨削内应力)未予消除，在淬火加热和冷却时将形成多种应力叠加，当叠加应力超过材料强度极限时，将产生淬火裂纹和畸变。 预防措施为：改进刀具设计，使刀具形状合理、厚薄均匀。厚处可开工艺孔，薄处可增加肋条，变形悬殊处可制成斜坡；将刀具的棱角、直角、尖角倒圆，孔口处倒角；冷加工表面光洁度应达到设计要求，防止产生粗大刀纹，用万能笔书写标记；淬火前通过退火消除冷加工内应力；采用热浴分级淬火、等温淬火等工艺减少组织应力和热应力，避免应力集中。 5 淬火内应力与淬火冷却介质高速钢的组织应力、热应力和附加应力均为淬火内应力。对高速钢进行高温奥氏体化淬火时，过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢从收缩状态逆转为膨胀状态，金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力为组织应力。大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力为热应力。刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形不一致形成的内应力为附加应力。当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。当淬火冷却介质冷速过大，超过该钢种的临界淬火冷速时，则易形成较大的淬火内应力，导致刀具淬裂。当淬火冷却介质冷速过小，小于该钢种临界淬火冷速时，则得不到所需组织性能。获得淬火马氏体转变的最小冷却速度为临界淬火冷却速度。高速钢淬透性极佳，中小型刀具空冷即可淬硬。但用硝盐进行等温淬火时，如硝盐含水过量，可能造成淬火冷却速度过大，或当刀具淬火未冷至室温即转入水中清洗，可使大量过冷残余奥氏体在水中高冷速下转变为淬火马氏体，从而产生大的淬火内应力，导致刀具淬裂。 预防措施为：选用在钢的C曲线拐点处(鼻部)快冷、在鼻部Ms点以下缓冷的淬火介质(如氯化钙饱和水溶液、C?-1有机淬火剂、聚乙烯醇水溶液、高锰酸钾淬火液等)作为理想淬火冷却介质；采用热浴(硝盐浴、碱浴等)分级淬火、等温淬火以及淬火前预处理等措施，细化组织，消除冷、热加工应力，可有效预防和避免淬裂和刀具淬火畸变。 6 氢脆高速钢刀具酸洗、电镀时侵入钢中的初生态氢(H)原子转变为氢分子(H2)时将发生膨胀，产生巨大压力，导致在钢的晶界上发生龟裂，称为氢脆。酸洗是金属氧化物与酸的化学反应，它使金属氧化物变为可溶性盐而脱离金属表层。淬火高速钢有强烈的酸洗氢脆龟裂倾向。通常用硫酸或盐酸酸洗刀具时，其化学反应方程式为 FeO+H2SO4FeSO4+H2OFeO+HClFeCl+H2OFe+H2SO4FeSO4+H2Fe+HClFeCl+H2预防措施为：酸洗时，如产生过量初生态氢原子(H)，则需严格控制酸液浓度、温度和酸洗时间；刀具酸洗和电镀后及时用净水冲洗和中和残酸，并在4小时内进行19020024h的低温时效，使氢气释放，可有效消除氢脆龟裂。 7 冷处理裂纹高速钢刀具经高温奥氏体化，保温后在大于或等于该钢种的临界冷却速度下淬火得到淬火马氏体组织，但尚有部分过冷奥氏体未转变，成为残余奥氏体(AR)(约占25%35%)。若再进行-60-160的液氮冷处理，则可使残余奥氏体转变为马氏体(M)。由于残余奥氏体比容小，马氏体比容大，钢件发生膨胀，将产生较大的二次淬火相变组织应力，并与一次淬火应力叠加，当叠加应力大于该钢种的破断抗力，则会产生冷处理二次淬裂。 预防措施为：冷处理前将淬火刀具用100沸水煮3040分钟，或低温回火1小时。试验表明，此方法可消除20%30%的淬火内应力。由于残余奥氏体稍趋稳定，经冷处理后仍可保留2%5%。残余奥氏体既脆又韧，可吸收马氏体的急剧膨胀能量，松驰及缓和相变应力；冷处理后将刀具放入室温水(或热水)中升温，可消除50%60%的冷处理二次淬火应力；采用多次高温回火等措施，促使残余奥氏体转变为马氏体，可有效预防冷处理裂纹。 8 磨削裂纹高速钢磨削裂纹常发生在磨削加工过程中，裂纹细而浅(深度不到1mm)，呈辐射网状分布于表面，大多与磨削方向垂直，类似淬火网状裂纹，但形成原因不同。当磨削速度较高、进给量较大、冷却不良时，可使钢件表层金属温度急剧升高至淬火加热温度，随后冷却即形成金属表层二次淬火，产生二次淬火应力；当材料存在严重的碳化物偏析未予消除，或淬火刀具中存在较多残余奥氏体未被转变，在磨削加工时则易发生应力诱发相变，促使残余奥氏体转变为马氏体，使组织应力增大，并与磨削加工二次淬火应力相叠加，形成二次淬火表层磨削裂纹。 预防措施为：降低磨削速度和进给量，选用缓和磨削冷却液；严格原材料入库和投产前检查，控制材料共晶碳化物级别(3级)，超过3级者应进行改锻；避免过高奥氏体化淬火加热温度，采用计算机控温，采用热浴分级淬火、等温淬火、多次高温回火等措施降低组织应力、热应力和残余奥氏体数量等，可有效避免磨削裂纹。 9 电火花线切割加工显微裂纹火花放电加工时，被熔化的金属有一部分残留在放电点的电蚀坑周围。由于电火花加工在油或水中进行，因此脉冲放电结束后熔化金属迅速冷却凝固，因收缩而产生较大拉应力，使原应力场重新分布，形成厚度0.020.10mm的熔化变质层。该变质层为树枝状结晶铸态组织，冷却后形成二次高温淬火硬化层，生成大量极稳定的残余奥氏体。变质层收缩产生的拉应力与变质层二次高温淬火应力相叠加，在变质层上形成显微裂纹，且随着电火花加工电气参数的加大而加深扩大。 预防措施为：在电火花线切割加工前应充分消除刀具内应力；严格控制线切割电气参数；留足磨削及抛光的加工余量，通过后续加工去除变质层；通过15020024h油浴消除应力回火，防止电火花加工时产生显微裂纹。 10 回火不当引起二次淬火裂纹高速钢刀具具有高温回火二次硬化特性。第一次马氏体淬火后保留了较多残余奥氏体，高温回火时，在回火冷却过程中残余奥氏体相变为马氏体，若在水中或油中快速冷却，形成二次淬火马氏体时将产生较大淬火内应力；如回火时采用火焰或高频快速加热，表层金属将发生收缩，而内部依然为马氏体组织，因比容大而处于膨胀状态，从而使表层产生较大拉应力，与一次、二次淬火应力叠加，导致因回火不当引起二次硬化淬火裂纹。刀具表面脱碳会加速裂纹的形成。 预防措施为：在保护气氛炉、真空电炉和经充分脱氧的盐浴炉中加热刀具，可防止氧化脱碳；淬火刀具冷却至该钢种Ms点附近时取出转入缓和冷却介质中，宜在硝盐热浴、碱热浴中分级淬火、等温淬火和在理想冷却介质中淬火；低温(100)入炉回火，缓慢升温至300后可随炉升温至所需回火温度，高温回火保温后出炉空冷至室温，在回火缓冷过程中实现残余奥氏体(AR)马氏体(M)相变，避免水冷、油冷，防止产生较大二次淬火应力。总之，淬火后及时回火