水工金属结构的残余应力及时效方法

1、水工金属结构的残余应力及时效方法34第31卷第1期2008年2月水电站机电技术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStationV01.31No.1Feb.2008水工金属结构的残余应力及时效方法蒋建国,章好民,毛小平(1.水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;2.中国水电十二局机电安装分局,浙江丽水323000)摘要:介绍了残余应力的分类,产生原因和不同作用;从水工金属结构的角度分析了应力腐蚀,脆性断裂,疲劳抗力降低或内应力松弛变形等残余应力危害的作用机理及工业预防措施.从钢的时效性引出,阐明了自然时效,热时效,振动(随焊捶击

2、)时效,静态过载时效的工艺原理及现代工业价值.关键词:水工金属结构;残余应力;时效中圈分类号:TGll3.2文献标识码:B文章编号:16725387(2008)010034030引言水工金属结构在加工制造过程中会产生残余应力,高者可以达到金属材料的屈服极限附近,并且多数表现出有害作用.因此分析水工金属结构残余应力的产生及危害,并研究适用的时效方法,具有重要而现实的工程技术意义.在现代工艺条件下,大型水工金属结构的主体一般都是焊接结构,所以焊接残余应力及其时效方法的研究,又是关注的重点.残余应力,也叫内应力,通常讲,一个物体在没有外力和外力矩作用,温度达到平衡,相变已经终止的条件下,其内部仍然存

3、在并且自身保持平衡的应力叫做内应力.按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法,内应力分为三类:第1类内应力(又称宏观应力)是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的;它存在于材料的较大区域(很多晶粒)内,并在整个工件各个截面保持平衡的内应力;当第1类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时,工件会产生宏观的尺寸变化.第类内应力(又称微观应力)是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的,它是存在于较小范围(一个晶粒或晶粒内部的区域)的内应力.第类内应力(又称超微观应力或点阵畸变)是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷(如空位,间隙原子,位错等)引起的,它存在于几十至几百纳米的极小范围的内应力.工程界也习惯于按产生

4、残余应力的工艺过程来归类和命名,如铸造应力,焊接应力,热处理应力,喷丸应力,磨削应力等.从本质上讲,产生残余应力的原因可以归结为:不均匀的塑性变形,不均匀的温度变化和不均匀的相变.例如焊接时,焊接温度场急剧变化,金属材料从弹性状态急剧向塑性状态变化,直至液态,再冷却至弹塑性状态,最后恢复弹性状态.焊缝及其热影响区在不均匀的焊接温度场的剧烈作用下,产生不均匀的收缩拉伸变形,从而产生焊接内应力.一般结果,焊缝受拉伸内应力,热影响区受压缩内应力,内应力可近似或达到屈服极限.1残余应力的危害1.1不同内应力的作用第1和第类内应力尽管在变形金属中所占比例不大,但在大多数情况下表现为金属强度降低(例如应力

5、腐蚀,脆性断裂或者疲劳极限降低)以及随后的因内应力松弛而引起塑性变形等有害作用.第类内应力是变形金属中的主要内应力,也是使金属强化的主要原因.这一点是工业上用以提高金属强度,硬度和耐磨性的重要手段,例如加工冷卷弹簧和坦克履带等;同时工业上也经常需要通过加热消除加工硬化现象,以恢复金属的延性,例如钢板冷轧的中间退火.在金属结构工程中,第工和第类内应力显性地表现为有害作用;第类内应力虽然也偶然呈有害的表现,但更多的是被有益地利用.1.2应力腐蚀水工金属结构由于长期在水及潮湿空气的双介质环境下运行,残余应力的首要危害就表现为应力腐蚀(也称应力腐蚀断裂).金属在拉伸应力和化学收藕日期:20070913

6、作者简介:蒋建国(1972一),男,高级工程师,从事水工金属结构,水力机械,起重机械的检测研究工作.第1期蒋建国等:水工金属结构的残余应力及时效方法35介质的联合作用下并按持有机理产生的低应力脆性断裂现象,称为应力腐蚀(常用英文SCC表示).应力腐蚀的产生需要三项特定条件:拉伸应力(可以是外载荷造成的应力或残余内应力),腐蚀介质(常为弱腐蚀介质),具有对腐蚀介质敏感的特定合金(纯金属一般不产生应力腐蚀).应力腐蚀的断裂抗力比单个因素分别作用后再迭加起来的要低很多.应力腐蚀的作用机理可概述如下:合金在拉伸应力与特定腐蚀介质的联合作用下,表面金属因拉应力而加速腐蚀,逐渐形成晶间腐蚀微裂纹,随裂纹扩

7、展而发生低应力脆性断裂.应力腐蚀断裂的断口宏观形貌属于脆性断裂;微观则呈现为晶间断裂形态(如沿晶断裂或穿晶断裂).在水工金属结构领域,预防应力腐蚀的最常用的措施就是降低残余应力和金属表面防腐蚀涂敷.1.3脆性断裂残余应力的最直接危害就是金属结构的脆性断裂.虽然它的发生概率极低,但在所有情况下它都是突然发生的,并经常引发严重的后果,所以脆性断裂在工程上是应严格避免的.脆性断裂可定义为吸收一个极小能量而裂纹扩展.金属结构因残余应力的存在而在某些局部引起三轴向拉应力,尤其在重力及外荷载综合作用下,这种情况更常见,更易发生脆断.工程上,防止脆性断裂的方法,应首先采用专门设计的构造细部和足够坚韧的钢型.

8、随着气温低于一2O逐渐降低或钢板超过20mm逐渐增厚,金属的脆性增加,残余应力控制(如热时效)成为必需的工艺措施.预防初始裂纹当然也非常重要.水工金属结构如果直接承受动荷载(如重要水工闸门或起重机主承载结构),就应当避免采用沸腾钢.因为如果钢材对时效很敏感或者含有大量非金属杂质,焊接时就容易产生裂纹.所以当采用高强度合金钢时,也要严格控制焊接缺陷.1.4内应力疲劳影响水工金属结构就钢材而言,是符合弹性设计准则的.假设结构内应力,自重及外载荷应力,那么实际应力一I+F.如果小于疲劳极限,结构的疲劳抗力不会降低.如果超过屈服极限,水工金属结构一般不会因内应力而发生低周疲劳;相反地,在多数情况下将由

9、于类似静态的载荷特性而产生金属强化和内应力松弛.当一时,金属结构将产生条件疲劳.显然只有当与同向叠加时,结构的疲劳抗力才降低.现有研究表明,焊接结构疲劳抗力的降低,更多的是由焊接缺陷,应力集中或显微组织粗化所导致;而水工金属结构在交变载荷和腐蚀联合作用下所引发的腐蚀疲劳,需要更被关注.1.5内应力松弛变形水工金属结构因内应力松弛而产生工件变形,导致设备的配合安装比较困难,或者因设备配合精度的误差而发生运行故障,这在工程实际中更为常见,也更被关注.工程上,通常需要采取降低或消除残余应力的时效工艺,使内应力松弛变形在设备安装或投入运行之前释放,以控制工件尺寸精度保持稳定,避免不利影响.2时效方法2

10、.1钢的时效在钢材工艺静力拉力试验时,假定保持加载比率不变且试验缓慢进行,允许在试验中卸载和重新加载;如果在卸载前达到屈服应力,则在间歇足够长的时间后重新加载,钢材的屈服应力就提高,韧性降低,拉力强度也相应提高(见图1).这就是钢的时效也称鲍辛格效应(Bauschingereffect).如果加载间歇时间不充分,则试验的Fe曲线不变化(见图2).工业上,凡是能降低残余应力,使工件尺寸精度稳定的方法都叫时效.例如锤击,喷丸,滚压等都是行之有效,应用广泛的强化零件的时效方法,即通过锤击,喷丸,滚压等手段改变表面残余应力分布状态,并实现金属表面强化.水工金属结构的制造安装应用领域,最常用的时效方法有

11、:自然时效,热时效,振动时效(随焊捶击),静态过载时效等.O图1在充分间歇后重新加载2.2自然时效自然时效是最古老的时效方法.它是把构件露天放置于室外,经过几个月至几年的风吹,日晒,雨淋和季节的温度变化,给构件多次造成反复的温度应力.在温度应力形成的过载下,促使残余应力发36水电站机电技术第3l卷生松弛而使尺寸精度获得稳定.自然时效降低的残余应力不大,但对工件尺寸稳定性很好,原因是工件经过长时间的放置,一般线缺陷尖端附近产生应力集中,发生塑性变形,松弛应力,同时这部分基体产生金属强化现象.2.3热时效热时效,即所谓去应力低温退火,就是将构件由室温缓慢,均匀加热至550左右,保温一定时间,再严格

12、控制降温速度至150以下出炉.热时效工艺要求严格,如果温度过高,保温时问过长,会引起石墨化,构件强度和韧性降低;如果升温速度过快,构件会产生附加温度应力,如果附加温度应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限,就会造成构件开裂.如果降温不当,会使热时效效果降低,甚至产生与原残余应力相同的温度应力(二次应力),并残留在构件中,从而破坏已取得的热时效效果.24振动时效振动时效是锤击松弛法(敲击时效)的发展.锤击松弛法,可用木锤,橡皮锤,紫铜锤等,敲构件的合适部位,激起构件共振,即给工件一个冲击力,激起工件的响应,工件以自己的固有频率和迅速衰减的振幅作减幅振动.敲击后,当构件内引起的响应振动应力与残余

13、应力迭加而超过材料的屈服极限,引起局部塑性变形,使残余应力峰值降低而松弛.在锤击松弛法启迪下,产生了振动时效的基本技术思想,即通过大振幅多次反复作用并持续振动一定时间,使工件内的响应振动应力与残余应力迭加,在应力集中处引起塑性变形而松弛应力.振动时效,国外称之为VibratoryStressReliele(V.S.R)技术.它是在激振器的周期性外力(激振力)的作用下,使构件共振,进而松弛残余应力,提高构件的松弛刚度,使其尺寸稳定的方法.振动时效可在很大范围内代替热时效.2.5静态过载时效所谓静态过载时效,就是通过施加超过额定载荷的静载,使工件负载应力与其残余应力叠加,使工件局部甚至微区超过材料

14、的屈服极限而产生塑性变形,以调整工件的残余应力并且实现局部金属强化.例如大型压力容器,在焊接之后,在其内部加压,即所谓胀形,使焊接接头发生微量塑性应变,以减小焊接残余应力.输水压力钢管道的水压试验,一般要求静态施加1.25倍额定值的水压力(有时只施加工程所能达到的实际最大水压力),并且保持稳压一段时问,通过负载应力与其残余应力的叠加效应,使钢管局部微区产生静态的塑性应变而降低内应力,同时检验压力钢管道.起重机械或者启闭机械,在安装后投入运行之前,一般要求1.25倍额定载荷的静态试验,并且保持负载一段时间,使负载应力与其制造安装过程产生的残余应力发生叠加效应,通过结构局部微区产生静态的塑性应变而

15、降低内应力.3结束语随着现代工业的发展,水工金属结构的残余应力及时效方法又有了许多新认识.从本质上看,大多数所谓内应力时效方法是利用钢的时效性,通过物理作用(如振动或热效应)应力与内应力迭加,使工件局部微区超过材料的屈服极限而产生塑性变形,实现内应力松弛和重新分布,并产生金属强化.所以,现代工业的经济性,环保性追求,使得自然时效的应用因生产周期长,占用场地大而受到很大限制;高效而节能的振动时效技术又日益取代传统的热时效方法,得到了前所未有的广泛应用.热时效在升温过程中除施加温度应力外,同时实现金属材料屈服极限的降低,并通过保温使金属在塑性变形时不产生金属强化,所以热时效尽管有高能耗,高污染,高成本等许多缺点,但至今仍广泛应用.在大型的焊接结构中,针对焊缝的利用红外热效应或者电阻加热的局部热时效技术得到了快速发展.高强度合金钢因特殊的非金属夹杂而对时效很敏感,红外热效应技术也广泛用于其焊接预热或后热的工艺控制.静态过载时效,便于整体结构实施加载,所以在大型水工金属结构降低残余应力的时效工艺中具有独特的价值.尤其当水作为工艺试验荷载时,这种时效