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探究残余应力产生的根本原因

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:在不同数值瞬态热应力作用下,若某些区域应力值超过该处高温屈服极限,就会在此处产生塑性变形,由于温度的不均匀,所以此时的塑性变形也可能是不均匀的。当加热过程结束时,虽然全截面已冷至室温,但仍会因加热过程中的不均匀塑性变形而产生残余应力,如在塑性拉伸区将受压,产生压缩残余应力,与之相邻区域则产生拉伸残余应力。若此瞬态相变应力不造成不均匀塑性变形,则全截面相变结束后将无残余应力存在。

探究残余应力产生的根本原因

8.2.1.1 不均匀塑性变形

当工件承受复杂载荷(如冷轧、拉拔、挤压以及表面喷丸、滚压等)的作用时,由于截面上受力不均匀,故受力大的地方可能产生塑性变形,而受力小的地方可能仍是弹性变形。不同部位的塑性变形程度也会因受力大小不等而不同。卸载时,拉伸了的部位受压缩应力作用,与之相邻的部位受拉伸应力作用;压缩了的部位受到拉伸应力作用,其相邻部位就受到压缩应力作用。这些不均匀塑性变形使工件内产生残余应力。

8.2.1.2 不均匀温度场的热效应

热加工过程中,加热和冷却过程是复杂的,其中常常是快速加热和冷却及局部的加热和冷却,而且无论是加热还是冷却,都是只能通过表面传递热量来进行。工件加热、冷却时因温度不均匀必然造成温度高处热膨胀量大、温度低处热膨胀量小,因此相互之间就会产生作用力,这就是瞬态热应力。在不同数值瞬态热应力作用下,若某些区域应力值超过该处高温屈服极限,就会在此处产生塑性变形,由于温度的不均匀,所以此时的塑性变形也可能是不均匀的。当加热过程结束时,虽然全截面已冷至室温,但仍会因加热过程中的不均匀塑性变形而产生残余应力,如在塑性拉伸区将受压,产生压缩残余应力,与之相邻区域则产生拉伸残余应力。若瞬态热应力不产生不均匀塑性变形,则冷却后无残余应力。(www.xing528.com)

8.2.1.3 不均匀相变

无论是铸、焊、热处理过程,热量的传递都是通过表面进行的,因此在冷却过程中必然在工件内产生不均匀温度场,从而使相变也不均匀。这种不均匀包括两方面。一种是相变的不等时性,即表层温度下降快先相变,然后向内扩展。而相变发生时常伴有比体积变化(如固体相变中的奥氏体马氏体转变,比体积将增大1%左右),这时在已相变区和未相变区之间将除热应力外,还要因相变而产生的应力,称为相变应力。在马氏体相变时,马氏体区将受压,奥氏体区将受拉,这就是瞬态相变应力。若此瞬态相变应力不造成不均匀塑性变形,则全截面相变结束后将无残余应力存在。但实际上均会产生不均匀塑性变形,从而造成因相变不均匀产生的残余应力。

另外一种情况,则是由于受材料淬透性的限制,在零件尺寸较大时,会在其心部产生未淬硬层,那么淬硬层体积膨胀,未淬硬层体积未膨胀,这样淬硬区和未淬硬区之间便会产生残余应力,这时相变过程中产生的塑性变形往往起到降低残余应力的作用。

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