第七章 金屬產品的力學性能檢測

1、第一 節(jié) 軸向拉伸和壓縮,第七章 產品的力學性能檢測,本章內容,金屬材料的力學基礎外力、內力及應力；應力狀態(tài)理論、應力應變關系等。*拉伸試驗*壓縮試驗*沖擊試驗*硬度實驗電測應力分析基礎電阻應變計的工作原理；測試方法。疲勞實驗材料的疲勞極限；金屬材料的疲勞極限的測試方法。應力集中與殘余應力測試應力集中與殘余應力的概念；用應變計測應力集中和殘余應力的方法。電阻應變計測力實驗,材料的拉伸性能是材料力學性能中最重要、

2、最基本的性能之一。這些指標的高低在很大程度上決定了該種材料的使用。拉伸性能的好壞，可以通過拉伸試驗進行檢驗。如拉伸強度、拉伸斷裂應力、拉伸屈服應力、偏置屈服應力、拉伸彈性模量。斷裂伸長率等。測試值的高低，可對塑料的拉伸性能作出評價。,一、定義（一）拉伸應力試樣在計量標距范圍內，單位初始橫截面上承受的拉伸負荷。（二）拉伸強度在拉伸試驗中。試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應力。（三）拉伸斷裂應力在拉伸應力——應變曲線上，

3、斷裂時的應力。（四）拉仲屈服應力在拉伸應力——應變曲線上，屈服點處的應力。,（五）偏置屈服應力 應力——應變曲線偏離直線性達規(guī)定應變百分數（偏置）時的應力。（六）斷裂伸長率 在拉力作用下，試樣斷裂時，標線間距離的增加量與初始標距之比，以百分率表示。（七）彈性模量 在比例極限內，材料所受應力（拉、壓、查、扭、剪等）與產生的相應應變之比。（八）屈服點 應力——應變曲線上，應力不隨應變增加的初始點。

4、（九）應變 材料在應力作用下，產生的尺寸變化與原始尺寸之比。,軸向拉壓的概念及實例,一、概念,軸向拉壓的外力特點：外力的合力作用線與桿的軸線重合。,軸向拉壓的變形特點：桿的變形主要是軸向伸縮，伴隨橫向縮擴。,軸向壓縮，對應的力稱為壓力。,軸向拉伸，對應的力稱為拉力。,軸向拉伸和壓縮時的內力,一、內力 物體內部有外力引起的某一部分與另一部分件相互作用的力,二、截面法 · 軸力,1. 截面法的基本步驟：

5、① 截開：在所求內力的截面處，假想地用截面將桿件一分為二。②代替：任取一部分，其棄去部分對留下部分的作用，用作用 在截開面上相應的內力（力或力偶）代替。③平衡：對留下的部分建立平衡方程，根據其上的已知外力來 計算桿在截開面上的未知內力（此時截開面上的內力 對所留部分而言是外力）。,,根據力的平衡原理，作力的分析,,例如： 截面法求N

6、。,,截開：,代替：,平衡：,2. 軸力——軸向拉壓桿的內力，用N 表示。,3. 軸力的正負規(guī)定:,N 與外法線同向,為正軸力(拉力),N與外法線反向,為負軸力(壓力),[例1] 圖示桿的A、B、C、D點分別作用著大小為5P、8P、4P、 P 的力，方向如圖，試畫出桿的軸力圖。,,,,解： 求OA段內力N1：設置截面如圖,同理，求得AB、BC、CD段內力分別為：,N2= –3PN3= 5PN4= P,,

7、,D,PD,,,,橫截面上的應力,應力：分布內力集度,應力與內力分量之間的關系,問題提出：,一般情形下的橫截面上的附加分布內力，總可以分解為兩種：作用線垂直于截面的；作用線位于橫截面內的。,分布內力在一點的集度，稱為應力(stresses)。,作用線垂直于截面的應力稱為正應力(normal stress)，用希臘字母? 表示；作用線位于截面內的應力稱為切應力或剪應力(shrearing stress)，用希臘字母?表示。應力的單位記號為

8、Pa或MPa，工程上多用MPa。,一.應力,應力—分布內力在一點的集度,工程構件，大多數情形下，內力并非均勻分布，集度的定義不僅準確而且重要，因為“ 破壞”或“ 失效”往往從內力集度最大處開始。,應力就是單位面積上的內力 ?,正應力和切應力,位于截面內的應力稱為“切應力” (Shearing Stress).,垂直于截面的應力稱為“正應力” (Normal Stress)；,變形前,1. 變形規(guī)律試驗及平面假設：,平面假設

9、：原為平面的橫截面在變形后仍為平面。 縱向纖維變形相同。,,受載后,二、拉（壓）桿橫截面上的應力,,,,,,,,第一節(jié) 軸向拉伸和壓縮,均勻材料、均勻變形，內力當然均勻分布。,2. 拉伸應力：,,,,,軸力引起的正應力 —— ? ： 在橫截面上均布。,3. 公式的應用條件：,直桿、桿的截面無突變、截面到載荷作用點有一定 的距離。,,5. Saint-Venant原理：,離開載荷作用處一定距離，應力分布與大小不

10、受外載荷作用方式的影響。,Saint-Venant原理與應力集中示意圖,變形示意圖：,應力分布示意圖：,拉壓桿的變形,沿軸向的伸長或縮短,橫向尺寸的縮小或增大,——Δl,——橫向變形 Δa, Δb,§5–4 軸向拉伸（壓縮）時的變形,一、拉壓桿的縱向變形及應變,線應變：單位長度的線變形。,絕對變形：,,胡克定律,討論：N≠常數時，N=N(x)，如何求Δl？,分析：,微段分析,軸力方程：N=N(x),二、橫向變形,例 已知：P

11、1=20kN, P2=P3=35kN, l1=l3=300mm, l2=400mm d1=24mm, d2=16mm, d3=12mm, E=210GPa 求： 總伸長Δl,解：(1）軸力圖,（2）求各段變形,(3)總變形,材料拉壓時的力學性能,力學性能： 材料在外力作用下表現的有關強度、變形方面的特性。,1.試驗條件：常溫(20℃)；靜載（及其緩慢地加載）；標準試件。,一、試驗條件及試驗儀器,2、

12、試驗儀器：萬能材料試驗機；變形儀（常用引伸儀）。,二 、低碳鋼拉伸時的力學性能,,,,(1)彈性階段（OA段）,鋼：,彈性：產生變形，卸載變形消失,彈性極限：,比例極限：,應力不變，應變卻不斷增加，產生明顯塑性變形的現象,(2)屈服階段（ABCD段）,塑性：加載產生變形，卸載變形不消失,屈服極限：,,屈服原因：晶粒滑移的原因,(3) 強化階段（DE段）,抗拉強度：,卸載定律——在卸載過程中，應力與應變按直線規(guī)律變化,冷作硬化 ——卸載之

13、后再加載，彈性極限會增加,思考：OO’是什么？,頸縮：E點之前：變形均勻；E點之后變形集中在某一局部，截面急劇變小,（4）局部變形階段（EF段）,結論：,1. 強度指標：E，,2. 兩個塑性指標——表征材料塑性變形的程度,延伸率：,截面收縮率：,3. 變形,,彈性變形：卸載后可消失的變形,塑性變形：卸載后不消失的變形,,16Mn,A3,H62 : 有明顯的塑性階段,T10A,20Cr : 沒有明顯的屈服階段,三、其他塑性材料拉伸

14、時的力學性能,以鑄鐵為例,,結論：E用割線彈性模量 強度指標：,一般較小,四、脆性材料拉伸時的力學性能,試件：,,金屬： 很短的圓柱 l=1.5～3.0d混凝土、石料： 立方塊,一、低碳鋼,不一定做壓縮試驗,五. 材料壓縮時的力學性能,二、鑄鐵,斷口： 45°～55°,,斷口為縱向平面,三、石料,一、試驗目的,1．測定低碳鋼壓縮屈服點ssc；,2．測定灰鑄鐵抗壓強度sbc。,二、試驗儀器,萬能

15、材料試驗機。,三、試樣,標準試樣：,粗短圓柱體：h0=1~3d0,,壓 縮 試 驗,四、試驗原理,1．測定低碳鋼壓縮屈服點ssc,,,,壓縮屈服點：,,壓 縮 試 驗,低碳鋼壓縮試驗現象：,低碳鋼壓縮變扁，不會斷裂，由于兩端摩擦力影響，形成“腰鼓形”。,,壓 縮 試 驗,2．測定灰鑄鐵抗壓強度sbc,強度極限：,灰鑄鐵壓縮試驗現象：,tmax引起,,壓 縮 試 驗,已知一材料的彈性極限200MPa，彈性模量為

16、200GPa， 問：此材料做成的試件，其應變被拉到 ε=0.0001,0.001,0.002時，其應力為多少？,思考題,解：① 軸力：N = P =25kN,②應力：,③強度校核：,④結論：此桿滿足強度要求，能夠正常工作。,例 已知一圓桿受拉力P =25 k N，直徑 d =14mm，許用應力 [?]=170MPa，試校核此桿是否滿足強度要求。,指出下列概念的區(qū)別 （1）內力與應力； （2）變形與應變

17、； （3）彈性與塑性；,思考題,第二節(jié) 電阻應變片結構及原理,一、電阻應變效應 一段金屬電阻絲長度為L，橫截面為S，電阻率記作ρ，材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為：     R = ρL/S （ Ω）  其中：L-金屬導線長度    

18、 S-金屬導線橫截面積    ρ-電導率（不同材料電阻率不同） 當金屬導線兩端受拉力F伸長變形。設其伸長ΔL，橫截面積則縮小，它的截面圓半徑減少Δr。金屬電阻絲在變形后，電阻率ρ也會有所改變Δ ρ ，這種現象稱為電阻應變效應。,求出電阻絲伸長后，其電阻值改變了多少， 對R = ρL/S求全微分 ΔR = ΔρL/S 

19、+ ΔLρ/S –ΔSρL/S2 上2式相除，得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S  導線的橫截面積 S =πr2， Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r 從材料力學我們知道：  Δr/r = -μΔL/L 

20、 μ=|ε`/ε| ，μ是表示材料橫向效應泊松系數,,ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L = K *ΔL/L 其中：K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L

21、） K靈敏系數 材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε 所以：ΔR/R = Kε 說明了電阻應變片的電阻變化率和電阻絲伸長率之間的關系,,結論： 1、當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化。 2、金屬絲受外力作用而伸長時，長度增加，而截面積減少，電阻值會增大。3、當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小，而截面增

22、加，電阻值會減小。4、阻值變化通常較小。,電阻應變片及其結構,電阻應變片通常由直徑為0.015～0.05mm高電阻率的金屬電阻絲繞成柵狀，稱為敏感柵。繞成柵狀是為了獲得高的阻值，將其粘貼在絕緣的基體上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層，如圖1。敏感柵電阻值一般在100Ω以上,,基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結劑將它固結在紙質或膠質的基底上。應變計工作時，基底起著把彈性體應變準確地傳遞給敏感柵的作

23、用。為此，基底必須很薄，一般為0.02～0.04mm。 引線：它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導作用。通常取直徑約0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接 保護蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。粘結劑：在制造應變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結于基底；在使用應變計時，用它把應變計基底再粘貼在彈性體表面的被測部位。因此它也起著傳遞應變的作用。,測量原理： &

24、#160;  用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化,,檢測電路：    電阻應變計把機械應變轉換成ΔR/R后，應變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變計的ΔR/R變化轉換成電壓或電流變化。

25、通常采用惠斯登電橋電路實現這種轉換。,惠斯登直流電橋,電橋如圖3所示，U0為供橋電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，Usc為電橋輸出電壓。  Usc＝0時電橋平衡，則平衡條件為： R1\R2 = R4\R3  或  R1*R3 = R2*R4  這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積相等。&

26、#160;  　    將應變片作為臂電阻接在電橋電路，當彈性體受力變形時，應變片電阻值發(fā)生相應變化，使電橋失去平衡，Usc≠0，電橋輸出電壓絕對值與傳感器受力成正比。,惠斯登電橋具有很多優(yōu)點，如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等。所以惠斯登電橋在電阻應變傳感器中得到了廣泛的應用。,,貼片方位和應變——應力換算1、單向應力狀態(tài)2、雙向應力狀態(tài),主應力方向已知3、應變花主應力計

27、算公式 應變花用于主應力方向大致知道的情況； 應變花用于主應力方向完全不知道的情況,,,用于主應力方向大致知道的情況；,應變花,應變花,應變花用于主應力方向完全不知道的情況,,第三節(jié) 應力集中的概念,應力集中的概念,彈性力學中的一類問題﹐指物體中應力局部增高的現象﹐一般出現在物體形狀急劇變化的地方﹐如缺口﹑孔洞﹑溝槽以及有剛性約束處。應力集中能使物體產生疲勞裂紋﹐也能使脆性材料製成的零件發(fā)生靜載斷裂。,,應力集中現象,

28、度量——理論應力集中系數,,應力集中系數表面有缺陷的材料承受載荷時，設缺陷底部的最大應力為σmax,有缺陷時的平均應力為σ0，定義兩者之比為應力集中系數α即,有軸向槽的軸受拉、壓或彎曲時，通常不會產生應力集中，即α=1，,有環(huán)狀淺槽的軸受拉伸或彎曲時,當圓軸的軸向和圓周方向都有淺槽時,,,ρ：曲率半徑 t：槽深 α：應力集中系數,（1）有淺槽時的應力集中,（2）無限平板上有橢圓孔時的應力集中,ρ：x軸端部的曲率半徑 a，

29、b：x，y軸長α：應力集中系數,當a＝b或a＝ρ時，橢圓孔就成為圓孔α＝3．,（3）窄板上有圓孔時的應力集中,窄板上有一個圓孔時，拉伸和彎曲載荷產生的應力集中系數隨孔徑與窄板寬度之比的變化情況：,,如果板上有幾個圓孔，各孔之間的間隔、孔徑與應力集中系數的關系：,,圓孔接近邊緣程度與應力集中系數的關系,應力集中的測量方法,電測方法(見電阻應變計測量技術)﹑光彈性法﹑散斑干涉法﹑云紋法等實驗手段均可測出物體的應力集中。近年來計算機和有限元

30、法以及邊界元法,電阻應變計測量應力集中系數,通過電測法只能測出應變，然后通過應力與應變的關系才能算出應力。在彈性體的設計過程中必須滿足以下兩項要求： （1）貼片部位的應力（應變）應與被測力保持嚴格的對應關系； （2）貼片部位應具有較高的應力（應變）水平。,測量步驟,一、選擇測點位置和確定布片方案單向應力狀態(tài)：一個工作片雙向應力狀態(tài)：主應力方向已知，二個工作片

31、 主應力方向未知，三個工作片或者應變花二、選擇應變片和測量儀器，檢測應變片阻值三、現場測量的準備：應變片的安裝、接線、防護和檢查四、測量儀器的調試和加載測量五、作出測量報告： 分析處理測量數據，將應變換算為應力；提交測試結論。,應力集中的測試方法,（1）外推法 工程上常將3—5片應變計貼在需要測量應力集中的孔或槽附近，測量后再用公式推算，其結果一般都能夠滿足工程精度要求且計算方

32、便．以用三片應變計的測量與計算為例，說明如下：,,,例1 已給sin0.32=0.314567,sin0.34=0.333487,sin0.36=0.352274,用拋物插值計算sin0.3367用拋物插值計算sin0.3367時，由公式（2.5）得,=,=0.330374,sin0.3367=,,,拉格朗日插值,用EXCEL如何求解？,（2）內插法,（3）光彈性測試方法,,,光彈性測試方法簡稱為光彈性法，它是測應力集中系數的最好方

33、法之一。光彈性法測得的一張圖樣相當于無限多片應變計測得的結果。用有機玻璃按比例制作一輪齒模型．輪齒模型受力后，在光彈儀的單色光照射下，出現黑白相間的條紋，如圖6—33所示．這些系統(tǒng)稱為等差線，條紋圖稱為應力光圖．由于齒輪右上角處的應力為零，令不產生應力的區(qū)域的條紋為0級．沿著齒邊緣從右到左直至根部可相繼地數出條紋2，4，6，…級．條紋的疏密與載荷的大小有關，亦即與模型中的應力大小和應力梯度有關．條紋越稀，應力變化越??；條紋越密，應力變

34、化越大．所以，應力集中的部位，條紋密集．因此、對于條墳較密的地方 (應力集中的部位)應予重視和注意．,應力集中的降低,工程上主要采取以下一些措施﹕表面強化﹕對材料表面作噴丸﹑滾壓﹑氮化等處理﹐可以提高材料表面的疲勞強度﹔避免尖角﹕即把棱角改為過渡圓角﹐適當增大過渡圓弧的半徑﹐效果更好﹔改善零件外形﹕曲率半徑逐步變化的外形有利于降低應力集中系數﹐比較理想的辦法是﹐采用流線型型線或雙曲率型線﹐后者更便于在工程上應用﹔,孔邊局部加強﹕在

35、孔邊采用加強環(huán)或作局部加厚均可使應力集中系數下降﹐下降程度與孔的形狀和大小﹑加強環(huán)的形狀和大小以及載荷形式有關﹔適當選擇開孔位置和方向﹕開孔的位置應盡量避開高應力區(qū)﹐并應避免因孔間相互影響而造成應力集中系數增高﹐對于橢圓孔﹐應使其長軸平行于外力的方向﹐這樣可降低峰值應力﹔提高低應力區(qū)應力﹕減小零件在低應力區(qū)的厚度﹐或在低應力區(qū)增開缺口或圓孔﹐使應力由低應力區(qū)向高應力區(qū)的過渡趨于平緩﹔利用殘余應力﹕在峰值應力超過屈服極限后卸載﹐就會

36、產生殘余應力﹐合理地利用殘余應力也可降低應力集中系數,第四節(jié) 疲勞及測試,疲勞的概念與材料的疲勞極限,疲勞 構件在交變應力作用時的破壞，稱為疲勞破壞，簡稱疲勞。 構件疲勞與在靜應力作用下的破壞決然不同，有以下四個明顯特征：1）破壞時的名義應力值遠小于材料的靜強度指標（σs σb，τs，τb ）。2）構件需要經歷一定次數的應力循環(huán)后才發(fā)生破壞，即破壞有一個過程。3）破壞是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。既使塑性

37、很好的材料，也是如此。4）構件的同一破壞斷面，明顯劃分成光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)域。,,關于疲勞的原因及過程的解釋,斷裂力學的理論認為，微裂紋源是由于位錯運動引起的。金屬原子晶格的某些空穴、缺陷或錯位，稱之為位錯。微觀尺度的塑性變形就能引起位錯在原子晶格間的運動，位錯積聚在一起，便形成了微裂紋。微裂紋集結、貫通形成宏觀裂紋，宏觀裂紋在交變應力作用下繼續(xù)擴展，致使構件有效截面逐漸減小，最終，經過一定次數應力循環(huán)后，在較低的應力水平下脆

38、斷，造成斷面的顆粒狀粗糙區(qū)域。由于應力是交變的，在擴展過程中裂紋表面相互擠壓與研磨，致使擴展區(qū)域成光亮狀。,典型的疲勞斷面照片,材料的疲勞極限與應力-壽命曲線,疲勞時應力遠低于靜載下材料的屈服強度或強度極限，因而屈服強度或強度極限已不能作為交變應力下的強度指標，需重新測定金屬的疲勞強度指標。 在同一循環(huán)特征r的交變應力下，循環(huán)次數N 隨交變應力的最大應力Smax的減小而增大，當 Smax減小到某一數值時， N趨于無限大。材料經歷無限次

39、應力循環(huán)而不疲勞時的交變應力的最大應力，稱為材料的疲勞極限，或稱持久極限。,,材料的疲勞極限是材料本身所固有的性質，因循環(huán)特征r 、試件變形的形式以及材料所處的環(huán)境等不同而不同，需疲勞試驗測定。材料的疲勞極限用Sr 表示，即意味著對稱循環(huán)下的是 S-1，脈動循環(huán)下的是 S0 ，以此類推。,材料的疲勞試驗，首先要制備若干根光滑小試件（圖15-9a），然后裝卡到疲勞試驗機上進行試驗。圖15-9b是對稱循環(huán)彎曲變形疲勞試驗機的示意圖,疲勞試

40、驗機,試驗過程,將試件分成若干組，調整砝碼，使每組試件承受一定載荷，各組承受的載荷由高到低，即應力水平由高到低。計數器會記錄下第 i 組第 j 根試件承受某一最大應力Smax而發(fā)生疲勞破壞時的旋轉周數，即應力循環(huán)次數Nij ，又稱壽命。每根試件的試驗數據 Smax與 Nij在S-N坐標系中對應一點，將所有的試驗點作數據處理后會得到如圖15-10所示的曲線，稱為應力-壽命曲線，簡稱 S-N曲線。,應力-壽命曲線( S-N曲線),,

41、S-N曲線上任一點 A的縱、橫坐標分別用Smax ,A、 NA表示，這表明在交變應力的最大應力為 Smax ,A時，試件疲勞破壞前所經歷的應力循環(huán)次數為 NA 。所以，稱 NA是最大應力為 Smax ,A時的有限疲勞壽命；而稱 NA是有限疲勞壽命為 Smax ,A時材料的條件疲勞極限。,,S-N曲線有一條水平漸近線，該漸近線的縱坐標用 S-1 表示，即為材料對稱循環(huán)下的疲勞極限。要“經歷無限次應力循環(huán)”，這個試驗是無法實現的。

42、實際上人為地規(guī)定一個循環(huán)基數N0，若經歷 N0次應力循環(huán)而不破壞，即認為已滿足了“經歷無限次應力循環(huán)”這一條件。對于 S-N曲線有水平漸近線的材料，如結構鋼等， N0=107 ；而對于像鋁合金等無水平漸近線的材料， N0=108 。,,試驗發(fā)現，鋼材的疲勞極限σ-1與其強度極限 σb之間有如下關系 彎曲變形： 拉壓變形： 扭轉變形：,作業(yè),1.應力集中2.疲勞，疲勞極限3.簡述疲勞極限的測試過程4.光彈性測試應

43、力集中的原理5.應力集中系數6.應力集中的測試方法 （內插法）7.電阻應變片工作原理,第五節(jié) 殘余應力及其測量,殘余應力的概念,通常講，一個物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達到平衡、相變已經終止的條件下，其內部仍然存在并自身保持平衡的應力叫做內應力。     按照德國學者馬赫勞赫提出的分類方法，內應力分為三類：     第Ⅰ類內應力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）

44、內，并在整個物體各個截面保持平衡的內應力。當一個物體的第Ⅰ類內應力平衡和內力矩平衡被破壞時，物體會產生宏觀的尺寸變化。     第Ⅱ類內應力是存在于較小范圍（一個晶?；蚓Я炔康膮^(qū)域）的內應力。     第Ⅲ類內應力是存在于極小范圍（幾個原子間距）的內應力。,,在工程上通常所說的殘余應力就是第Ⅰ類內應力。 金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形后會有殘余應力出現!而只發(fā)生彈性

45、變形時卻不會產生殘余應力. 金屬在外力作用下的變形是不均勻的,有的部位變形量大,而有的部位小,它們相互之間又是互相牽連在一起的整體,這樣在變形量不同的各部位之間就出現了一定的彈性應力-----當外力去除后這部分力仍然存在,就是所謂的殘余應力.是在一定范圍存在的彈性應力.,,金屬殘留在物體內的應力是由分子間力的取向不同導致的。外力撤銷后，外力所造成的殘余變形導致了殘余應力。通常用熱處理、時效處理來消除殘余應力。,殘余應力的產生,

46、在機械制造中，各種工藝過程往往都會產生殘余應力。但是，如果從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結為：     1.不均勻的塑性變形；     2.不均勻的溫度變化；     3.不均勻的相變。,,殘余應力的作用,機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。   

47、;  適當的、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素； 不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。,,殘余應力的調整,針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應力，有時還可以引入有益的殘余壓應力分布，這就是殘余應力的調整問題。    

48、; 通常調整殘余應力的方法有：     1.加熱，即回火處理,利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力。     2.施加靜載，使工件產生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形，也可以調整工件的殘余應力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。,,3.振動時效：在國際上，工業(yè)發(fā)達國家起

49、始于上世紀50年代，我國從70年代研究和推廣。振動消除應力主要特點：     （1）處理時間短；     （2）適用范圍廣；     （3）能源消耗少；     （4）設備投資小，操作簡便。     4.錘擊、噴丸、滾壓等：噴丸強化是行之有效、應用廣泛的強化零件的手段，噴丸

50、的同時也改變了表面殘余應力狀態(tài)和分布，而噴丸產生的殘余壓應力又是強化機理中的重要因素。,？,,熱時效是將工件加熱、保溫、冷卻，消除工件內應力，一般情況下每爐工件加熱時間為16小時，保溫、冷卻時間為8小時，能耗大。    振動時效工藝是通過專用的激振設備使工件產生振動，振動產生的動應力與工件內部原有的殘留應力相疊加，達到均化內應力，減少工件變形的效果，其耗能設備僅為振動機械（電機），且一般處理一個工

51、件僅需30分鐘左右，時間短、能耗小。,振動時效處理現場圖,噴丸處理,噴丸又分為噴丸和噴砂。噴丸還用于提高表面硬度和降低表面粗糙度 噴丸處理一般應用在汽車的彈簧鋼板的加工上.是為了減少被加工材料的塑性變形. 噴丸強化分為一般噴丸和應力噴丸.一般處理時,鋼板在自由狀態(tài)下,用高速鋼丸打擊鋼板的里面,使其表面產生預壓應力.以減少工作中鋼板表面的拉應力,增加使用壽命.應力噴丸處理是將鋼板在一定的作用力下的預先彎曲,然后進行噴丸處理.,,噴丸

52、除銹的原理與應用: 1.原理:以壓縮空氣帶動鐵丸通過專門工具,高速噴射于金屬表面,利用鐵丸的沖擊和摩擦作用,清除金屬表面的鐵銹及其他污染,并得到有一定粗糙度的,顯露金屬本色的表面. 2.應用:為了提高防護層的結合力.,,噴丸硬化原理與應用: 1.原理:將淬硬鋼丸以壓縮空氣噴出或離心式噴丸機借離心力甩到金屬表面, 利用鋼丸對金屬表面的沖擊作用使零件表面硬化. 鋼丸沖擊金屬表面:第一使零件表面生成0.1-0.4mm 深的硬化層

53、, 增加零件表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力,并使表層產生壓應力,提高其疲勞強度;第二使零件表面上的缺陷和由于機械加工所帶來的損傷減少, 從而降低應力集中. 2.應用:用在承受交變應力下工作的零件噴丸處理后可以大大提高其疲勞強度, 使壽命提高幾倍.,殘余應力的測量方法,殘余應力的測量方法可以分為有損和無損兩大類。     有損測試方法就是應力釋放法，也可以稱為機械的方法；無損方法就是物理的方法

54、。     機械方法目前用得最多的是切割法和套環(huán)法，鉆孔法（盲孔法）等。     物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其它主要物理方法還有中子衍射法、磁性法和超聲法。,X射線衍射法,X射線衍射法依據X射線衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏觀上可以準確測定的衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關系。材料中的應力所對應的彈性應變必然表征為晶面間距的相對

55、變化。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距d 必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會相應改變。因此有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應力σ。該法可以在實驗室進行研究，可且可以應用到各種實際工件，包括大型工件的現場測量。,,,,磁性法,磁性法測量殘余應力是利用鐵磁材料的壓磁效應。 即在應力作用下。鐵磁材料的各方向上的導磁率發(fā)生不同的變化，從而產生磁各向異性。

56、 通過對導磁率變化的測定來確定殘余應力的方法 。,,切割法,切割法： 在欲測部位劃線：劃出20mm×20mm的方格將測點圍在正中。在方格內一定方向上貼應變計和應變花，再將應變計與應變儀相連，通電調平。然后用銑床或手鋸慢速切割方格線，使被測點與周圍部分分離開。切割后，再測應變計得到的釋放應變。它與構件原有應變量值相同、符號相反，因此計算應力時，應將所得值乘以負號,釋放后的殘余應力計算方法如下：,,套環(huán)法,套

57、環(huán)法：在一些大型構件上，切割法有時難于進行，這時可采用套環(huán)法進行分離。其原理及貼片方法與切割法相同，但分離的技術不同于切割法。先以被測點為圓心，劃半徑為15mm的圓，然后在圓內貼片并調平應變儀。再用小型鉆床（Φ3mm的鉆頭）或手電鉆在圓周線上連續(xù)鉆孔，孔深約10mm左右。相鄰孔間要鉆通，使被測點與周圍分割開來,,套環(huán)法的應變計布置和公式均與切割法相同,,開槽法,1．開槽法 將一片小型的應變計貼在構件有殘余應力的部分，

58、在應變計附近的兩端各開一槽(銑削，腐蝕或電火花加工)。 在開槽之前將應變計接入應變儀并調平衡．開槽后由于殘余應力的釋放使兩槽之間的材料變形，應變儀的指示麥上可讀得應變．根據材料力學，彈性力學的有關公式以及測得的應變值，即可求出殘余應力的大小,盲孔法測量殘余應力,切割法和套環(huán)法測量殘余應力具有較大的破壞性，因此目前在焊接件和鑄件上應用的較多的殘余應力測量方法是盲孔法。,盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔，使被測點的

59、應力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應變計測得釋放的應變量，再根據彈性力學原理計算出殘余應力來。 鉆孔的直徑和深度都不大，不會影響被測構件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度，因此它以成為應用比較廣泛的方法。,它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應力場上鉆孔 ，以去除一部分具有應力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內的應力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應力平衡狀態(tài)而使應力重新分布，并呈現新 的應力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或

60、應變，通過高靈敏度的應變儀，測量鉆孔后的應變 量，就可以計算原應力場的應力值。,,測量儀器：應變儀；盲孔鉆；應變花。,盲孔法殘余應力計算公式,被測點鉆一小孔只能使殘余應力局部釋放，因此應變計所測出的釋放應變值很小，必須采用高精度的應變計。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產生誤差的各種因素，其中最主要的是鉆孔設備的精度和鉆孔技術，還有應變測試誤差。,鉆孔設備及鉆孔要求     鉆孔設備的結構應該簡

61、單，便于攜帶，易于固定在構件上，同時要求對中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結構圖，這種鉆具能較好地實現上述要求，借助4個可調節(jié)X . Y 方向的位置和上. 下位置，以保持鉆孔垂直于工件表面，用萬向節(jié)與可調速手電鉆連接施行鉆孔。,鉆孔的技術要求：    1.被測表面的處理要符合應變測量的技術要求，應變花應用502膠水準確地粘貼在測點位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵