残余应力的产生和消除方法.docx

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残余应力的产生和消除方法

残余应力的产生和消除方法

2011年08月09日10:

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   金属构件（铸件、锻件、焊接件）在冷热加工过程中产生残余应力，高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。

因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。

   一、残余应力的产生     

   1.铸造应力的产生    

（1）热应力    

   铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁.筋板部分较薄，其横向端面如图一所示。

铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩的小。

薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。

因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。

这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。

   铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。

铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。

但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。

应力方向发生了变化。

这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。

这个应力是由于各部分薄厚不同。

冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

（2）相变应力    

   常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：

厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀，薄壁部分阻碍其膨张，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力，薄辟部分受拉应力。

厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。

而薄壁与其相反。

在共析（738℃）前的收缩中，薄厚壁均处于朔形状态，应力虽然不段产生?

但又不断被塑性变性所松弛，应力并不大。

当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构（既γ-Fe变为a-Fe），比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。

同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。

上述的两种应力，是在1153℃和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。

相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反?

相变应力被热应力抵消。

在共析转变以后，不在产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起去起主要作用。

   （3）收缩应力（亦叫机械阻碍应力）：

铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。

由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。

收缩应力一般不大，多在打箱后消失。

   （4）残余应力的分类残余应力的分类有许多种③，如：

a）按应力产生的原因，有热应力.相变应力.收缩应力。

详细内容如上所述。

b）按应力方向分有拉应力（力的方向向背的应力），压应力（力的方向相同的应力）。

c）按影响区域的大小分有：

   第一类应力，亦叫宏观应力。

它是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力?

如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧臂分布的压应力等。

第二类应力，亦叫微观应力。

它是存在与一个晶粒或几个晶粒内，并保持平衡的应力。

例如：

晶粒1.2.3.4.5同处拉应力的应力场中，应力大小为σ。

从金属物理④可知：

各个晶粒所受的切应力与取向因子成正比。

假设晶粒1的取向因子最大，则晶粒1切应力最大?

若此切应力略大于临界内应力，则晶粒1产生塑性变性。

其与个晶粒处于弹性状态。

当应力σ除掉后，晶粒2.3.4.5均为回复到原状态，但晶粒1产生塑性伸长，不能恢复到原状态，阻碍2.3.4.5晶粒回复，结果晶粒1受拉应力。

其余各晶粒受拉应力。

这种在几个晶粒间存在并保持平衡的应力，称为第二类残余应力。

第三类应力，亦叫超微观应力。

它是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。

例如，间隙原子与溶剂原子间存在的应力。

   d）按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为：

临时应力，所产生应力的条件消失后，应力也随之消失。

残余应力，亦叫残留应力或内应力。

产生应力的条件消失后，应力依然存在于工件不同部位的应力叫残余应力。

如热应力.相变内力.收缩应力等，都是残余应力。

上述分类法，亦适用于焊接件、锻件等。

   2.焊接应力的产生：

   焊接中.焊缝处温度迅速升高，体积膨胀。

热影响区温度低，阻碍焊缝膨胀，结果焊缝处产生压应力，热影响区产生拉应力。

热影响区产生拉应力。

但此时焊缝处于塑性状态，焊缝被压应力墩粗，松弛了此应力。

焊后冷却后，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态。

这是焊缝收缩，较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压应力，影响区受拉应力。

但焊缝处于塑性状态，焊缝的塑性墩粗，松弛了此应力。

热影响区温度不断降低，冷却速度也变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向发生了转变：

焊缝受拉应力，热影响区受压应力。

当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快，收缩量大，热影响温度低，冷却速度低，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果焊缝受拉应力，热影响区受压应力。

此时没有塑性变形，这一对压应力，随着温度的降低，焊缝收缩受阻碍越来越大，拉应力也越来越大，直至室温，拉应力可近似于屈服极限。

综上所述，铸造.锻造.焊接等都必然产生残余应力。

焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈服点的拉应力。

而铸铁件由于石墨尖端的松弛，残余应力不高，其铸造应力范围列与表一。

   各种铸铁件的铸造应力单位：

N/mm2    

铸铁种类灰铸铁合金铸铁蠕虫状石墨铸铁球墨铸铁

残余应力52.3106.3127-137.3180

二.时效方法简介     

   构件在冷热加工过程中，必然产生残余应力，因此消除残余应力的时效工序就十分必要了。

   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"。

时效方法有：

热时效.振动时效.自然时效.静态过载时效.热冲击时效等。

后两种方法应用少不再讲述。

1.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。

再温度应力形成的过载下，促使残余应力发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，石墨尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。

   2.热时效   

   热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550℃左右，保温4-8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。

   热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。

炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长，会引起石墨化，构件强度降低。

如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。

如果附加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。

   热时效如果降温不当，会使时效效果大为降低，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，从而破坏了已取得的热时效效果。

降温速度对消除残余应力的影响

降低温度速度℃/小时残余应力消除的百分数（%）

1306-27

5040-50

3060-85

注：

炉内温度差不大于25℃

热时效存在的问题：

1）建窑占地面积大，费用高（每立方米1-1.2万元）。

2）热时效能耗高，生产成本高。

3）热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。

热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果

序号工件在炉内的位置残余应力的大小（kgf/mm2）

时效前时效后应力消除的百分比（%）

σ1σ2σ1σ2σ1σ2σ1σ2平均

1炉前段10.47.96.66.236.721.429.1

2炉中部10.47.95.11.651.279.665.4

3炉门处10.47.99.18.112.6-2.45.1

可见：

同一炉内，热时效消除应力不均匀。

4）热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。

   三.振动时效     

   振动时效是"锤击松弛法"（敲击时效）的发展。

可用木锤.橡皮锤.紫铜锤等，敲构件的合适部位，可激起构件共振。

如用拾振器.测振仪和光线示波器可记录下构件作自由衰减振动的振型。

其衰减振型的解析式为：

X=Ae‐acosωt

A：

敲击后的振幅幅值。

a：

衰减系数。

ω：

构件的固有频率。

t：

时间    

   锤击松弛法是给工件一个冲击力，击起工件的响应，工件以自己的固有频率和迅速衰减的振幅作减幅振动。

敲击后的最初振幅大，在构件内引起的"振动力"也大。

这一振动力多次反复作用，当它与残余应力迭加时，在应力集中处超过材料的屈服极限σ.,引起局部塑性边性变形，松弛了应力，使应力峰值降低。

   锤击松弛法，是敲击后的"大振幅"对时效起作用。

于是人们得到启迪：

为什么用一激振力，激起构件的响应，并在大振幅下持续振动一定时间，使工件内的"振动力"与残余应力迭加，在应力集中处引起塑性变形而松弛应力？

在此思想下产生了振动时效技术。

   振动时效，在国外称之为"V.S.R"技术，它是VibratoryStressReliele的缩写。

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。

振动时效是热时效的补充和发展，可在很大范围内代替热时效。

原机电部等六个部委将振动时效定为第七个五年计化间推广的节能项目，并将此类产品定位替代进口产品。

目前我们的HRFvsr2000a智能型谐波振动时效设备已经达到国际先进水平，国家环

正火退火淬火回火的区别与联系？

？

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区别 ]石人木心2008-05-2318:

57

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80%

正火有以下目的和用途。

①对亚共析钢，正火用以消除铸、锻、焊件的过热粗晶组织和魏氏组织，轧材中的带状组织；细化晶粒；并可作为淬火前的预先热处理。

②对过共析钢，正火可以消除网状二次渗碳体，并使珠光体细化，不但改善机械性能，而且有利于以后的球化退火。

③对低碳深冲薄钢板，正火可以消除晶界的游离渗碳体，以改善其深冲性能。

④对低碳钢和低碳低合金钢，采用正火，可得到较多的细片状珠光体组织，使硬度增高到HB140-190，避免切削时的“粘刀”现象，改善切削加工性。

对中碳钢，在既可用正火又可用退火的场合下，用正火更为经济和方便。

⑤对普通中碳结构钢，在力学性能要求不高的场合下，可用正火代替淬火加高温回火，不仅操作简便，而且使钢材的组织和尺寸稳定。

⑥高温正火（Ac3以上150～200℃）由于高温下扩散速度较高,可以减少铸件和锻件的成分偏析。

高温正火后的粗大晶粒可通过随后第二次较低温度的正火予以细化。

⑦对某些用于汽轮机和锅炉的低、中碳合金钢，常采用正火以获得贝氏体组织，再经高温回火，用于400～550℃时具有良好的抗蠕变能力。

⑧除钢件和钢材以外，正火还广泛用于球墨铸铁热处理，使其获得珠光体基体，提高球墨铸铁的强度。

　　由于正火的特点是空气冷却，因而环境气温、堆放方式、气流及工件尺寸对正火后的组织和性能均有影响。

　　正火组织还可作为合金钢的一种分类方法。

通常根据直径为25毫米的试样加热到900℃后,空冷得到的组织，将合金钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢

退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却的一种金属热处理工艺。

退火热处理分为完全退火，不完全退火和去应力退火。

退火材料的力学性能可以用拉伸试验来检测，也可以用硬度试验来检测。

许多钢材都是以退火热处理状态供货的，钢材硬度检测可以采用洛氏硬度计，测试HRB硬度，对于较薄的钢板、钢带以及薄壁钢管，可以采用表面洛氏硬度计，检测HRT硬度.

退火的目的在于：

①改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂。

②软化工件以便进行切削加工。

③细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。

④为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。

常用的退火工艺有：

①完全退火。

用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织。

将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上30～50℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变，即可使钢的组织变细。

②球化退火。

用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。

将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上20～40℃，保温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。

③等温退火。

用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度，以进行切削加工。

一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度，保温适当时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。

④再结晶退火。

用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。

加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50～150℃，只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。

⑤石墨化退火。

用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良好的可锻铸铁。

工艺操作是将铸件加热到950℃左右，保温一定时间后适当冷却，使渗碳体分解形成团絮状石墨。

⑥扩散退火。

用以使合金铸件化学成分均匀化，提高其使用性能。

方法是在不发生熔化的前提下，将铸件加热到尽可能高的温度，并长时间保温，待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。

⑦去应力退火。

用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。

对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100～200℃，保温后在空气中冷却，即可消除内应力。

淬火，金属和玻璃的一种热处理工艺。

把合金制品或玻璃加热到一定温度，随即在水、油或空气中急速冷却，一般用以提高合金的硬度和强度。

通称“蘸火”。

将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。

钢铁工件在淬火后具有以下特点：

①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。

②存在较大内应力。

③力学性能不能满足要求。

因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。

作用回火的作用在于：

①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。

②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。

③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。

回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。

内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。

一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。

回火温度越高，这些力学性能的变化越大。

有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。

这种现象称为二次硬化。

要求用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。

①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。

低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有提高。

②弹簧在350～500℃下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。

③中碳结构钢制作的零件通常在500～600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合。

淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。

钢在300℃左右回火时，常使其脆性增大，这种现象称为第一类回火脆性。

一般不应在这个温度区间回火。

某些中碳合金结构钢在高温回火后，如果缓慢冷至室温，也易于变脆。

这种现象称为第二类回火脆性。

在钢中加入钼，或回火时在油或水中冷却，都可以防止第二类回火脆性。

将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度，便可以消除这种脆性。