残余应力产生及消除方法

残余应力产生及消除方法

船舶零件加工后，其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高零件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度，残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过零件材料的疲劳强度极限时，则使零件表面产生裂纹，加速零件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面： ( 一 )冷塑性变形引起的残余应力

在切削力作用下，已加工表面受到强烈的冷塑性变形，其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出，此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后，基体金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余压应力。

( 二 )热塑性变形引起的残余应力

零件加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于表层变形受到基体金属的限制，故而产生残余拉应力。切削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明显。

( 三 )金相组织变化引起的残余应力

切削时产生的高温会引表面层的金相组织变化。不同的金相组织有不同的密度，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力；反之，则产生拉应力。

总之，残余应力即消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形,甚至开裂,经淬火或磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷。当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，而使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除。残余应力也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

消除方法：

一、自然时效

自时效是通过把零件暴露于室外，经过几个月甚至几年的时间，使其尺寸精度达到稳定的一种方法。这种时效方法早已被普遍采用。大量的试验研究和生产实践证明，自然时效具有稳定铸件尺寸精度的良好效果。

二、热时效

1.用的工艺方法就是进行消除应力的退火，这种方法的特点就是能够大幅度的降低构件的残余应力，尺寸精度稳定。

构件加热到400－700°C时，技术构件即具有相当的单行，同时具有明显的塑性，这个温度范围称为弹性转变温度。

2.影响热时效效果的因素

a. 热时效中，退火温度是影响消除残余应力效果的最重要因素。

b. 热时效保温时间

c. 热时效升温速度

d. 热时效降温速度

e. 热时效炉的温差

f. 零件在炉中的放置与支撑

三、振动时效法

振动时效的实质是以共振的形式给零件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，零件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化零件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。其特点有：

1. 投资少

2. 生产周期短

3. 使用方便

4. 适应性强

5. 节约能源，降低成本

6. 机械性能显著提高

7. 符合环保要求

8. 操作简单，易于实现机械自动化。可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。

四、静态过载法

是以静力或静力矩的形式，暂时加载于构件上，并在这种载荷下保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，才能消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决于附加应力的大小及应力下保持时间。特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。

五、热冲击时效法

1970年前后出现的一种新颖的稳定零件尺寸精度的时效工艺法。其实质就是将零件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

六、声波时效法

超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广，该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。但是由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题，所以相对应用环境较窄，且成本颇高。

七、其它方法

爆炸法、打压法、锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。