(金属塑性成形原理课件)第10讲残余应力

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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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Lesson Ten
＋ － ＋
板材裁剪后的变形
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减小残余应力影响的措施
Lesson Ten
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
Lesson Ten
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十讲 Lesson Ten
残余应力
Lesson Ten
Lesson Ten
残余应力的概念
Lesson Ten
残余应力为塑性变形完毕后保留在变形物体 内的附加应力。
塑性变形的总位能是由释出位能和约束位能 两部分所组成。释出位能用来确定平衡外力 作用的内力的数值。而约束位能则是用来确 定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。 因附加应力是由不均匀变形引起的相互平衡 的内力所造成，所以约束位能也同样可确定 在每一变形瞬间附加应力的数值。
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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。
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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Lesson Ten
残余应力能量
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变形程度
变形程度和残余应力能量的关系曲线
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Lesson Ten
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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Lesson Ten
降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 等。
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变形条件对残余应力的影响
Lesson Ten
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
Lesson Ten
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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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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变形速度
Lesson Ten
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
Lesson Ten
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。
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Lesson Ten
虽然残余应力是变形完毕后保留在物体内的 附加应力，但并不是所有的约束位能都用于 形成残余应力，而是有部分位能在塑性变形 中由于软化而被释放。因此，残余应力的位 能应小于在整个塑性变形过程中用于形成附 加应力的位能。
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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。
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。
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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Lesson Ten
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 ……
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
Lesson Ten
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。