残余应力知识学习汇总

界面残余应力知识学习汇总残余应力是指当物体不受外部因素的影响时，使物体内部保持平衡而存在的应力。它是一种固有应力，随材料的性能，产生条件（变形温度、变形速度、变形程度等）的不同而存在差异，主要分为以下三类:第一类残余应力：在变形体的几个大部分间由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力；第二类残余应力：在变形体局部的各部分之间（如两个或几个晶粒之间）由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力；第三类残余应力：在变形物体的一个晶粒内的各部分之间由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力。第一类残余应力称为宏观残余应力，第二三类残余应力称为微残余应力。残余应力的定义及分类产生微观残余应力的原因一由于晶粒的各向异性而产生的微观残余应力主要是由于晶体的热膨胀系数、弹性系数和各晶粒间的取向不同而产生的微观残余应力。二由于夹杂物、沉淀相或相变而出现的第二相所产生的微观残余应力当在材料中由于夹杂物，析出物以及相变产生新相时，会发生不均匀的体积变化和热应力的作用，从而产生的微观残余应力。三由于晶粒内外的塑性变形产生的微观残余应力主要是由于晶粒内的滑移会造成位错在晶界的堆积，当位错穿过晶界在多晶粒间滑移时，发生各种不均匀的形变如扭折带、形变带、剪切带等各种内部缺陷，这些就成为外力卸载后产生微观残余应力的主要原因。残余应力产生的原因一不均匀的塑性变形产生的残余应力这是由于工件在加工过程中发生局部不均匀变形，当卸载后就会在工件内部产生残余应力。它是工件在加工过程中最常出现的残余应力。二热影响产生的残余应力这是由于工件在热加工过程中的不均匀塑性变形和不均匀体积变化而产生的。主要包括热的作用产生的不均匀塑性变形和相变或沉淀析出引起的体积变化。三化学变化产生的残余应力这种残余应力是由于从构件表面向内部扩展的化学或物理化学的变化产生的。残余应力对材料性能的影响残余应力对材料的影响主要有对材料疲劳强度的影响和对工件尺寸稳定性的影响以及工件加工精度的影响。当材料内存在残余应力时，物体会产生相应的弹性变形或晶格畸变。当这种残余应力消失或者其平衡被破坏时，则会引起物体形状和尺寸的变化。在承受交变应力作用的部件中存在残余压应力时，部件的疲劳强度会提高；而存在残余拉应力时，部件的疲劳强度会降低。当试样表面存在残余压应力时，会对应力腐蚀起到抑制作用，而压应力作用则会产生脆性断裂现象。残余应力的消除一自然时效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，长期积累使构件发生细微的收缩和膨胀‚逐渐积累造成金属晶格缓慢滑移‚并最终达到释放残余应力的目的。二热时效（去应力退火法）物体内存在的残余应力可用退火、回火等热处理的方式来减小或消除。第一类残余应力可在回火过程中大大减少，第二类残余应力在温度低于再结晶温度时的加热过程中几乎完全消除。第三类残余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复才能消除。四机械处理方法机械处理方法是利用使材料内产生塑性变形的方法来减小残余应力，并且不改变材料的力学性能。主要的机械处理方法有表面辊压、表面喷丸、辊式矫直、拉伸矫直等方法。三振动时效振动时效消除残余应力原理上与疲劳情况一样‚当构件产生强烈的机械振动时‚振动应力与材料内部的残余应力相叠加大于材料的屈服极限时‚材料将发生屈服变形‚产生应力松弛‚从而降低或消除残余应力。残余应力的消除残余应力的测量方法残余应力的测量方法主要可分为有损检测和无损检测两大类；一残余应力有损检测方法：钻孔法、逐层铣削法、分割切条释放法等；二残余应力无损检测方法：X射线衍射法、超声波法、磁性法、电子散斑干涉法、中子衍射法等。残余应力的测量方法：钻孔法钻孔法：通过在构件待测应力的位置粘贴应变花‚然后在应变花的中心钻一个小孔将应力释放‚通过应变花测量出释放的应变计算出钻孔处的残余应力。钻孔法测量的是工件近表面的残余应力，及钻孔边界范围内的局部残余应力大小。钻孔法会对工件产生局部的破坏。小孔法测量精度高、可靠性强、操作方便、破坏性较小，因此小孔法广泛应用于众多工程材料的残余应力的测量研究。钻孔法介绍1.先在远离工件边沿选取一平整表面作为待测部位；2.在工件待测部位粘贴一个应变计的应变花；3.在应变花的几何中心按一组钻孔深度增量钻一小孔，钻孔直径大小，钻孔的深度为1.0-1.2；4.记录应变片数据，测量释放应变。使用线弹性理论，对钻孔范围内的初始残余应力通过释放应变进行计算，均布残余应力与钻孔后得到的释放应变可通过以下公式进行计算：5.校正。4.35.20DD0D2sin12cos2121xyyxyxbEbEaE右图是小孔法测量残余应力的原理图，应变花采用顺时针方向的三向应变花‚图中D是应变花的测量圆直径‚D0是钻孔的直径‚其中1号应变栅和3号应变栅分别与x轴和y轴重合‚2号应变栅与轴的夹角为45°。钻孔法介绍2sin12cos2121xyyxyxbEbEaE其中E为弹性模量，ν为泊松比，a为等轴向应力的校准系数，b为剪切应力的校准系数，θ为应变栅和y轴沿逆时针方向的夹角，和是沿坐标轴的轴向应力，为切应力xyxy由应变计所测释放应变为的θ值为0°，135°，270°，将θ值代入上式可得出以下矩阵方程；321,,321)1(0)1()1(2)1()1(0)1(21zyxbabaabababaE······(1)········(2)钻孔法介绍因此，通过实验中应变花所测得的三个释放应变，就可以求解出和以及的大小为；xyxy3212)1(202)1(2222)1(202)1(2bEaEbEaEbEbEbEbEaEbEaEyxyx········(3)钻孔法介绍根据式3可进一步求出两个主应力以及一个主方向角大小为；221321313max)2()(2)1(2)(bEaE221321313min)2()(2)1(2)(bEaE)2arctan(2113213····(4)式中为最大主应力，为最小主应力，且与的夹角为90°；β为1号应变栅与沿顺时针方向的夹角。maxminmaxminmax钻孔法介绍应变计介绍应变计全称为电阻应变计或电阻应变片，是一种用途广泛的高精度力学量传感元件。应变计的主要组成部分是敏感栅、基底、覆盖层以引出线组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间，敏感栅可以看成一根电阻丝，其材料性能和几何形状的改变都会引起栅丝电阻值的变化。根据残余应力释放过程中电阻丝的长度变化所导致的栅丝电阻值的变化，就可以求出材料的应变，从而求出残余应力的大小。应变花介绍根据应变计粘贴位置的不同，可将应变花分为A、B、C型应变花。对于薄工件，在工件上钻一通孔，当使用A或B型应变花时，工件厚度不得大于0.4D，使用C型应变花时，工件厚度不得大于0.48D。对于厚工件，在工件上钻一盲孔，当使用A或B型应变花时，工件厚度不得小于1.2D，使用C型应变花时，工件厚度不得小于1.44D。安装应变计的表面应当打磨抛光，应使用化学腐蚀方法而尽量避免使用机械磨削，且不得采用会改变测量表面应力状况的刮磨或研磨，并且要进行彻底的清洗和脱脂。钻孔设备和使用在待测工件上钻孔时，必须使用工装进行控制。此工装所控制的钻孔中心与应变花测量圆的中心不重合度误差应小于±0.004D，钻孔深度误差应小于±0.004D。右图为一种类型的钻孔控制工装。钻孔设备和使用已有多种钻孔技术被研究并证明能够有效应用于本测试方法。除了碳化钨等超硬合金外，常用的钻孔技术为50000~400000r/min的高速气动涡轮或电动钻孔技术。低速钻孔技术如钻床或手持电钻会在孔的边沿产生附加应力，因此并不推荐使用。如果实验产生了明显的附加变形，或者试样材料很难加工，可在钻削过程中添加合适的液体润滑剂。液体润滑剂应是绝缘体，因为导电材料会渗入应变计导电线路，对应变计的读数产生影响。钻孔过程中可采用高级轴向阶跃送进技术，或选择轨道送进技术。轨道运行技术故意将刀具旋转轴偏移孔轴，先送进刀具轴向，之后绕轴向旋转，钻孔直径比刀具直径更大。轴向阶跃送进技术有明显的优势，而轨道运行技术的优点在于钻孔直径可通过调节装置，圆柱形切削刃口直到末端，有利于切屑的流出。标定试样标定试样所用材料应与待测材料相同，经消除应力退火后，再进行精加工。标定试样尺寸形状应符合下图表所示；TBWL1L2Rdab5D060D040D0150D0200D010D012D01.0D00.75D0残余应力的测量方法：压痕应变法压痕应变法是一种利用球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法，具有无损,操作简单,适用范围广，精度高等特点。其缺点是只能用于平面应力的测定，而且对测量数据的处理比较复杂。在平面应力场中，由球形压痕产生的材料流变会引起受力材料的松弛变形，压应力场中的材料会延伸，拉应力场中的材料会压缩。同时压痕自身也会受到残余应力场的影响发生变形，这两种变形的叠加称之为叠加应变增量，简称为应变增量。在标定常数已知的情况下可以通过应变增量求得残余应力。上式中B为无残余应力条件下的应变增量；A1，A2，A3为压痕应变法应力标定参数。33221eeeAAAB残余应力的测量方法：X射线法利用晶体点阵对X射线的衍射规律，由布拉格方程2dsinθ=nλ就可以计算出晶面间距d0，由此就可以计算出晶面间的绝对变化为d-d0。其相对变化即应变为；根据胡克定律，应力为；式中为正应力，K为弹性常数。Ｘ射线穿透能力弱，只能测量材料表面的平均残余应力，无法测量材料内部的残余应力。000ddddd0ddKK000ddddd0ddKK残余应力的测量方法：超声法超声波是指频率高于20kHz的声波，可用于金属材料残余应力检测的频率为0.5-10MHz。由于超声波的方向性好，穿透能力强，对于金属材料的穿透深度可达数米，因此可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力。同时超声表面波可以沿试样表面传播，因此超声法可以测定环形件的残余应力。与X射线仪器相比，超声波检测所需要的仪器更加便携，便于现场在线测试。超声波速率受材料各向异性，环境温度，探头与构件之间声耦合的影响较大，因此超声法在测定应力时需进行标定试验。残余应力的测量方法：超声法超声波在介质中传播时具有声弹效应，即材料中的内应力会影响超声波的传播速率，其大小与材料组织，内应力状态，超声波波型，传播方向等有关。因此可以根据超声波在试样中传播速率的变化得到试样的应力分布。在各向同性材料、小变形、平面应力状态下，超声偏振横波以及超声纵波在垂直于平面应力作用面的传播速率与主应力之间存在以下关系；上式中，分别为，方向上的横波速率；为无残余应力时的横波速率，为第一主应力；为第二主应力；为纵波速率；为无残余应力时的纵波速率；，为超声横波和纵波的声弹性常数。)()(21021TTTTSvvv)()(2100TLLLSvvv1Tv2Tv120Tv120LvLvLSTS谢谢