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殘余應(yīng)力的產(chǎn)生
殘余應(yīng)力是指在沒有對(duì)物體施加外力時(shí)，物體內(nèi)部存在的保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)。它是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種。
產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機(jī)理：
各種機(jī)械加工工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會(huì)產(chǎn)生不同程度殘余應(yīng)力。下面用力學(xué)模型分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因。

一、機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力

這是金屬構(gòu)件在加工中易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當(dāng)施加外力時(shí)，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限制了與其相鄰部分變形的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘 余應(yīng)力。如圖1.1a所示，當(dāng)一均勻梁受純彎曲且上下表面進(jìn)入塑性時(shí)，沿橫截面各層上的應(yīng)變分布如aa`線所示。其中mn部分產(chǎn)生了塑性變形，而no部分 仍處于彈性狀態(tài)。當(dāng)外力去除時(shí)梁的變形得到恢復(fù)，各點(diǎn)的應(yīng)變也得到釋放，但梁的上表面m點(diǎn)深至n點(diǎn)這一層內(nèi)已產(chǎn)生塑性變形，設(shè)上表面m點(diǎn)的塑性應(yīng)變?yōu)?/span> εt，則當(dāng)截面mm`各點(diǎn)的應(yīng)變恢復(fù)到折線bnon`b`時(shí)，整個(gè)截面內(nèi)將不存在應(yīng)力。但實(shí)際上梁截面內(nèi)應(yīng)變分布是以中性層為坐標(biāo)原點(diǎn)的線性分布，所以當(dāng) 上表面的應(yīng)變值從εa降至εt時(shí)，截面內(nèi)各點(diǎn)仍有不平衡的彈性應(yīng)變?nèi)?/span>△bon所示。因此梁的變形將繼續(xù)恢復(fù)，并使表面往下某一深度內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變?nèi)?/span> △bpc所示。這時(shí)梁內(nèi)出現(xiàn)了如圖1.1b所示的應(yīng)力分布。直到所有的應(yīng)力在梁軸向總和為零且對(duì)o點(diǎn)的力矩為0時(shí)，截面處于平衡狀態(tài)而不再發(fā)生變形。這時(shí) 沿截面各點(diǎn)出現(xiàn)了正負(fù)相間的自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，這就是殘余應(yīng)力。

上述分析可見，構(gòu)件在外力作用下出現(xiàn)局部的塑性變形，當(dāng)外力去除時(shí)，這些局部的塑性變形限制了整個(gè)截面變形的恢復(fù)，因此產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會(huì)出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應(yīng)力往往是很大的。

二、溫度不均勻引起的殘余應(yīng)力

這種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有以下兩種原因：一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形；二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。

1、于熱塑性變形不均而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；

金 屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降。如果構(gòu)件上溫度場(chǎng)的溫度階梯較大，則屈服極限和彈性模量的分布也是 不均勻的，因此在高溫下出現(xiàn)的熱塑性也是不均勻的。如圖1.2所示，是材料在不同溫度下的屈服極限的變化曲線。從圖中可以看出，材料在0—500℃階段的 屈服極限基本不變，等于常溫時(shí)的屈服極限σs 。當(dāng)溫度在500—600℃階段時(shí)，材料的屈服極限成線形下降至接近于零。當(dāng)溫度超過600℃以后，可以認(rèn)為屈服極限為零。

2、因組織改變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

從 圖1.2中可見，如果溫度大于600℃，其應(yīng)力變化與低溫時(shí)是相似的。但由于這時(shí)材料的屈服極限接近于零。因此很容易出現(xiàn)熱塑性變形。變形恢復(fù)時(shí)受的阻力 也比前者大，所以殘余應(yīng)力也較大，但產(chǎn)生殘余應(yīng)力的條件是不變的。高溫中的另一個(gè)問題就是由相變引起的相變應(yīng)力。金屬的組織發(fā)生相變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)體積的突然 膨脹。如果這種膨脹是均勻的，則如同構(gòu)件均勻熱膨脹一樣，沒有約束的情況下不產(chǎn)生應(yīng)力。但是由于構(gòu)件的組織成分不均勻，溫度分布不均勻等等原因，造成構(gòu)件 各部分相變時(shí)間不同，體積膨脹不均勻，因此使各部分間出現(xiàn)互相約束而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。

三、構(gòu)件尺寸公差引起的殘余應(yīng)力

在焊接、鉚接、螺釘連接時(shí)往往有公差配合問題。如船體分段對(duì)接時(shí)必須將對(duì)接鋼板拉到一起，這些由外力拉到一起而組合的結(jié)構(gòu)，當(dāng)外力去除后，整個(gè)系統(tǒng)就出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力一般來說屬于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，大多數(shù)情況下處于彈性狀態(tài)。

總之，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于構(gòu)件某一部分的變形恢復(fù)受到約束而造成的。局部不均勻的塑性變形的出現(xiàn)，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的普遍原因。一個(gè)構(gòu)件上殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)是由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的綜合值來決定的，因此它的分布規(guī)律是隨機(jī)的，給測(cè)量和研究帶來較大的困難。

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