真正“消除”应力的方法

   日期:2019-05-16     来源:实验室资讯网    浏览:1    
核心提示:应力在机械生产制造中受到越来越多的重视,应力的消除以及“好”应力的预置极大改善了工件的疲劳性能,延长了工件的使用寿命以及实际承载能力,但是关于应力的几个概念问题大家确实存在疑虑,比如应力和变形的因果关系,应力能真正被消除吗?本文引述相关专家研究内容,为大家阐述解答这两个问题。

 应力在机械生产造中受到越来越多的重视,应力的消除以及“好”应力的预置极大改善了工件的疲劳性能,延长了工件的使用寿命以及际承载能力,但是关于应力的几个概念问题大家确实存在疑虑,比如应力和变形的因果关系,应力能真正被消除吗?本文引述相关专家研究内容,为大家阐述解答这两个问题。

一、应力和变形的因果关系

传统的观点始终认为由于焊后塑性分布的不均匀性分布是产生残余应力的根源,也就是由于有了塑性变形才产生了残余应力,多年以来持这一观点一直得到了界内很多学者的认可,但是经典力学的观点因为有了力才有可能产生变形,当外力超过了材料的屈服极限才会产生塑性变形,而在屈服极限以下理想的弹塑性体将恢复到原始状态,就焊接过程而言,在熔池前沿由于移动热源的作用,低温区的金属对高温区有一个阻碍作用,在焊缝及其附近区域产生了压缩塑性应变,而在进入熔池以后,应力趋于零点,而在冷却的过程中,由于平衡焊缝金属的热收缩作用而产生了拉应力,进而产生了拉伸塑性变形,当焊缝金属冷却至弹性温度以内产生了弹性拉伸应变和拉伸应力,因此作者认为:第一,应力与变形的关系为:应力是变形产生的原因或“推动力”,变形是应力作用或存在的表现,弹性变形是应力存在的表征,关系为虎克定律,塑性变形是应力达到极限状态(屈服)表征或证据,塑性变形量不反映应力的变化情况。第二,残余应力作为内应力在构件内自身平衡。残余应力是构件应力分布的不均匀性的反映,这种不均衡可以使构件发生变形(即残余变形)。第三,塑性变形是材料曾经发生屈服这一历史经历的记录,不应将塑性变形看成是一种持续存在,因此塑性变形不会影响残余应力的分布,只与弹性变形相互关联,同时存在;第四,塑性变形量可用来描述和计算残余应力,但不能由此认为塑性变形是残余应力存在的原因。

应力与变形的关系为:应力是变形产生的原因或“推动力”,变形是应力作用或存在的表现,弹性变形是应力存在的表征,关系为虎克定律,塑性变形是应力达到极限状态(屈服)表征或证据,塑性变形量不反映应力的变化情况,残余应力作为内应力在构件内自身平衡。残余应力是构件应力分布的不均匀性的反映,这种不均衡可以使构件发生变形(即残余变形)。塑性变形是材料曾经发生屈服这一历史经历的记录,不应将塑性变形看成是一种持续存在,因此塑性变形不会影响残余应力的分布,只与弹性变形相互关联,同时存在,塑性变形量可用来描述和计算残余应力,但不能由此认为塑性变形是残余应力存在的原因。

二、关于消除残余应力原理的论述

首先,“消除”残余应力的提法有些欠妥,因为在焊缝及其附近区域产生的拉应力被远离焊缝的母材边缘的压应力所平衡,其焊后总的内应力为0,所谓消除残余应力,只是改变了残余应力的分布特征,使其分布趋于“均匀”,而应该叙述为调整,而不是“消除”。《焊接手册》(3)在消除残余应力方法的叙述中多次提到焊缝存在压缩塑性变形。例如,采用温差拉伸法时,“两侧的金属受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸,使之产生拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形”。采用机械拉伸法时,“ 焊缝压缩塑性变形得到拉伸并屈服,从而减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量,使内应力降低”。采用滚压法时,“焊后用窄轮滚压焊缝和近缝区,可达到补偿焊接所造成的压缩塑性变形的目的[9]。”而在文献5中,由于作者没有考虑加热阶段,所以在这样一个基础上提出了“例如,对于薄板单道焊而言,机械拉伸法消除应力为通过加载拉伸,使焊缝和近缝区产生拉伸塑性变形,从而使弹性拉伸应变和拉伸应力减少。温差拉伸法:两侧的金属因受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸,使之产生拉伸塑性变形,从而使弹性拉伸应变和拉伸应力减少。滚压法则为用窄轮滚压焊缝和近缝区,产生拉伸塑性变形,使弹性拉伸应变和拉应力减小。”两种论述虽然不同,但是两者表达的意思却都是怎样来消除残余应力,而焊接的残余应力本身就为0,谈不到消除的问题,所谓的消除中只是改变了内应力的分布特征。

三、残余应力的均化方法

本文只叙述振动时效的相关知识。

振动时效可以从错位、晶格滑移等金属学理论上去解释。其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下,给工件的每一部位(从微观角度说是工件里的每一个微观晶格)施加一定的动能量,如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值(残余应力本身是一种势能)之和,足以克服微观组织周围的井势(也可以说是对恢复平衡的束缚力),则微观区域必然会产生塑性变形,使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态,使应力集中处地位错得以滑移并重新钉扎,达到降低应力峰值和均化残余应力的目的。HK2000系列振动时效设备操作简单。

振动时效只需30-40分钟即可进行下道工序。而热时效至少需一至二天以上,且需大量的煤油、电等能源。因此,相对于热时效来说,振动时效可节省能源90%以上,可节省费用90%以上,特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。重要的是没有环境污染。

 
日期: 2019-05-16
标签: 生产制造 消除 改善 使用
 
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