(金属塑性成形原理课件)第10讲残余应力

金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十讲 Lesson Ten
残余应力
Lesson Ten
第五章 塑性变形的不均匀性
主要内容
Main Content
变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力
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板材裁剪后的变形
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Lesson Ten
使零件的使用寿命缩短
因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有 残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部 分的工作应力为外力所引起的应力与此残余 应力之和，有的部分为其差，这样就会造成 应力在物体内的分布不均。此时工作应力达 到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变 形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生 断裂，从而缩短了零件的使用寿命。
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对于对称形的变形物 体来讲，仅发生尺寸 的变化，形状可保持 不变。例如，当用表 面层具有拉伸残余应 力和心部具有压缩残 余应力的棒材坯料在 车床上车成圆柱形工 件时，切削后由于具 有拉伸残余应力的表 面层被车削掉，成品 工件的长度将有所增 加。
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Lesson Ten
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Lesson Ten
用称重法测定残余应力的 试验曲线
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Lesson Ten
化学方法对于测定金属丝，薄条等类型的工 件内的残余应力是十分合适的。同时定性地 来比较在不同的压力加工制度和热处理制度 中所出现的残余应力的大小也是很有用的。
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600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（a）
600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（b）
600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（c）
黄铜捧在辗平前后的残余应力分布图
a－纵向应力；b－切向应力；c－径向应力
(实线为拉制铜捧的残余应力；虚线表示铜棒在碾平后的残余应力)
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用德拜法可以定量地测出所存在的残余 应力。第一种残余应力可根据德拜图上 衍射线条位置的变化来确定。第二种和 第三种残余应力可根据衍射线条的宽度 变化和强度的变化来确定。
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机械法可以比较精确地确定残余应力的大小 和分布，但在测定时要损害物体的整体性。
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降低了金属的塑性加工性能 当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，
由于残余应力的存在可加强物体内的应力和 变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高， 塑性降低。
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降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 等。
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这种方法仅使工件产生表面变形，所以在变 形中，于工件表面层中产生附加压应力，在 工件中层产生附加拉应力。可见，此方法只 能减小第一种残余应力，且只当工件表面层 中具有残余拉应力时才能适用。
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拉应力 压应力
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校平棍
表面变形程度越大、残余应力减少得越多。但此变形 程度不应超过某一限度，一般是在1.5~3％以下。若 超过此限度，会造成有害的后果，因为这样不但不会 减小残余应力，反而会使残余应力增加。
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残余应力，×10MPa 压拉
40 30 20 10 0 10 20 30 40 40 30 20 10 0 10 20 30 40 40 30 20 10 0 10 20 30 40
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变形速度
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变形速度对残余应力也有如同对附加应力那 样的影响。通常，在室温下以非常高的变形 速度使物体变形时，其附加应力和残余应力 有减小的趋势。而在高于室温的温度下，增 大变形速度时，这些应力反而有可能增加。
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变形程度
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1.第一、第二及第三种残余应力总能的变化曲线；2.第一种残余应力 能量变化曲线；3.第二及第三种残余应力总能量变化曲线
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残余应力引起的后果
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引起物体尺寸和形状的变化
当在变形物体内存在残余应力时，则物体将 会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残 余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏， 此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸 和形状改变。
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5.4 残余应力
残余应力的概念 变形条件对残余应力的影响 残余应力引起的后果 减小残余应力影响的措施 残余应力的测定方法
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Lesson Ten
Lesson Ten
Lesson Ten
残余应力是由附加应力变化而来，所以残余 应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应， 残余应力也分为第一种、第二种和第三种残 余应力。
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减小残余应力影响的措施
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残余应力是由附加应力的变化而来，其根本 原因就是物体产生了不均匀变形，使在物体 内出现了相互平衡的内力。因此，残余应力 不仅产生在塑性加工过程中，而且也产生在 不均匀加热、冷却、淬火和相变等过程中。
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减小或消除残余应力的方法
但在一般情况下，当变形温度升高时，附加应力以及所形 成的残余应力减小。温度降低时，出现附加应力和从而出 现残余应力的可能增大。因此，即使是对单相系金属也不 允许将变形温度降低到某一定值以下。
在变形过程中温度的不均匀分布是产生极大附加应力的一 个原因，自然也是产生极大残余应力的一个原因。如果变 形过程在高于室温条件下完成时，具有某一数值的残余应 力时，则此残余应力会因物体冷却到室温而增加。
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Lesson Ten
若加工件是不对称的，则物体除尺寸变化外， 还可能发生形状的改变。
引起残余应力的消失或减小的原因，除机械 加工外还有时间的延长等因素。有时，具有 残余应力的物体在热处理过程中，或受到冲 击后也会发生尺寸和形状的变化。
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＋ － ＋
工件的变形
a
b
c
表面层中具有残余拉应力的板材经表面辗压后，其残 余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大，残 余应力减小得越多。
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实验证明，拉制黄铜棒经辗压后，其内部的残余应力 发生如图所示的变化。可见，表面变形可使原来的残 余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应 力。
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X射线法
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在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。
在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定 性地确定残余应力。当无残余应力存在时， 各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各 干扰斑点伸长，呈“星芒”状。
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Lesson Ten
铝晶体的劳埃图
（a）铝晶体未变形的劳埃图；（b）铝晶体塑性变形后的劳埃图
随着变形程度的增加，第一种附加应力，亦即残余应力开 始急剧增加。当塑性变形达到20～25％时，应力达到最大 值。当变形继续增加时，此应力将开始减小，并当变形程 度超过52～65％时，应力几乎接近于零。变形程度的这种 影响是指在低于0.3对应温度条件下进行的变形而言。当 温度升高时，在较大的变形程度下才能使第一种残余应力 达到最大值，并在高于60～70％的变形条件下，此应力也 未降低到零。
Lesson Ten
减小材料在加工和处理过程中所产生的不均 匀变形；
对加工件进行热处理；
进行机械处理。
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减小不均匀变形 正确选定变形的温度－速度制度 减小金属表面上的外摩擦 合理设计加工工具形状 尽可能保证变形金属的成分及组织均匀 ……
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化学法基本是定性的测定，定量性差，也需 要专门的试样。
X射线法是一种“非破坏性”的测定方法，它 能够定量的测出物体内的残余应力。但此方 法仅适用于能够给出较清晰敏锐的衍射线条 的某些材料，并由于X射线的透射能力较小， 只能探明物体接近表面部分的情况。
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Lesson Ten
根据公式
1 r
和 2 r
绘制这些数值与钻孔剖面积F的关系曲线。并
用作图法求出此曲线上任一点的导数
d 1 dF
和
d 2 dF
。
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变形与钻孔横断面积关系
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纵向应力
p
E'(F0 F)ddF s1
1
切向应力
t E'(F 0F)d d F 2F 0 2 FF2
径向应力 t E' F02FF2
式中 E' E
1 r2
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化学法
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化学法是定性研究残余应力的一种方法。此 方法是将试样浸入到适当的溶液中，测量出 自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经 过的时间来判断残余应力的大小。
侵蚀试样所用的溶液，对于含锡青铜可用水 银及含水银的盐类，对于钢可用弱碱及硝酸 盐类。
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在判断应力的形式时，若出现横向裂纹，则 可认为是纵向应力作用的结果，若出现纵向 裂纹，可认为是横向应力作用的结果。在实 际中准确地确定裂纹出现的时间比较困难， 不过与其它机械法相比较，还是可以定性地 看出破裂时间与残余应力的关系。
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变形条件对残余应力的影响
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残余应力与附加应力一样也同样受到变 形条件的影响。其中主要是变形温度、 变形速度、变形程度、接触摩擦、工具 和变形物体形状等等。
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变形温度
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在确定变形温度的影响时应注意到在变形过程中是否有相 变存在。若在变形过程中出现双相系时，将会引起第二种 附加应力的产生，从而使残余应力增大。
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第二种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。
第三种残余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复时 才能消除。
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Lesson Ten
进行机械处理
机械处理方法是利用使物体表面产生很小的塑性变形 的方法来减小残余应力。这种处理方法主要有： （1）使零件彼此碰撞； （2）用木棒打击表面； （3）表面辊压和压平； （4）表面拉制； （5）在模子中作表面校形或精压。
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残余应力的测定方法
Lesson Ten
研究金属物体内残余应力的主要方法： 机械法 化学法 X光法
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机械法
Lesson Ten
用此方法可测定棒材、管材等一类物体内的 残余应力，其精确度可达每平方厘米内几千 克。
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其具体测量方法是：截 取一段长度为其直径三 倍的棒材（或管材）， 在其中心钻一通孔，然 后用膛杆或钻头从内部 逐次去除一薄层金属， 每次去除约5%的断面积， 去除后测量试样长度的 延伸率 和直径的延 伸率 。
变形程度对第二种和第三种残余应力的影响则是另一种情 况。这些残余应力的数值将随变形程度的增加而增大，而 且对于双相系和多相系，比对单相系提高得更强烈。
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残余应力能量
1
2
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
变形程度
变形程度和残余应力能量的关系曲线
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用化学侵蚀法及机械方法实验冷轧黄 铜残余应力的比较曲线
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Lesson Ten
另一种化学方法是，将试样吊浸在适当的溶 液里，隔一定时间来称其重量。这样就可以 得到一个重量减小量与经过时间的关系曲线。 与标准曲线相比较，以判定残余应力的大小。 所得到的曲线的位置比标准曲线越高，则表 示物体内的残余应力越大
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Lesson Ten
对加工件进行热处理
物体内存在的残余应力可用退火、回火等方式来减小 或消除。
第一种残余应力可在回火中大大减小。在许多情况下， 残余应力只存在再结晶时才能完全消除。因之，为完 全消除残余应力，需要较高的温度，有时也需要较长 的退火时间。这样就有可能引起晶粒大小产生很大的 变化和力学性能的改变。