1、金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第十讲Lesson Ten残余应力第五章 塑性变形的不均匀性主要内容Main Contentn变形不均匀的基本概念 n变形不均匀的原因n减小变形不均匀的措施n残余应力5.4 残余应力n残余应力的概念n变形条件对残余应力的影响n残余应力引起的后果n减小残余应力影响的措施 n残余应力的测定方法残余应力的概念n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。n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。
2、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。n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。n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。变形条件对残余应力的影响n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。变形温度n在确
3、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。n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。n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。变形速度n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
4、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。变形程度n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2025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5265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6070的变形条件下，此应力也未降低到零。n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
5、系和多相系，比对单相系提高得更强烈。变形程度和残余应力能量的关系曲线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残余应力能量变形程度0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100123残余应力引起的后果n引起物体尺寸和形状的变化n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。 n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
6、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。 n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。n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。 板材裁剪后的变形n使零件的使用寿命缩短n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
7、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。 n降低了金属的塑性加工性能n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。 n降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。 减小残余应力影响的措施n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。减小或消除残余应力的方法n减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形；n对加工件进行热处理；n进行机械处理。n减小不均
8、匀变形n正确选定变形的温度速度制度n减小金属表面上的外摩擦n合理设计加工工具形状n尽可能保证变形金属的成分及组织均匀nn对加工件进行热处理n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。n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。n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。n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。n进行机械处理n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
9、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。n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。n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。 拉应力拉应力压应力压应力校平棍校平棍工件的变形工件的变形abcn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
10、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。n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1.53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。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)铜棒剖面，mm2（a）残余应力，10MPa压拉600 200 0 200 60040 30 20 10 0 10 20 30 40铜棒剖面，mm2铜棒剖面，mm2（b）（c）40 30 20 10 0 10 20 30 4040 30 20
11、10 0 10 20 30 40600 200 0 200 600600 200 0 200 600残余应力的测定方法研究金属物体内残余应力的主要方法：n机械法n化学法nX光法机械法n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。 n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 。n根据公式n 和n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 和 。 r1r2Fdd1Fdd2变形与钻孔横断面积
12、关系 n纵向应力n切向应力 n径向应力 式中 110dd)(spFFE20202dd)(FFFFFFEt202FFFEtF21rEE化学法 n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。n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。 n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。 用化
13、学侵蚀法及机械方法实验冷轧黄铜残余应力的比较曲线n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 用称重法测定残余应力的试验曲线n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。 X射线法n在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。n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。
14、有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。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n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。n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。n化学法基本是定性的测定，定量性差，也需要专门的试样。nX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。课后作业Homeworkn何谓残余应力？ 它导致何后果？ 怎样减轻或消除？
