残余应力的产生和时效方法

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金属构件(铸件、锻件、焊接件)在冷热加工过程中产生残余应力，高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。

( K$ \$ W/ j1 O: a. Q  x! f一、残余应力的产生

& O3 m# A* L! h1 X/ w1.铸造应力的产生

(1)热应力

铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁.筋板部分较薄，其横向端面如图一所示。铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩的小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。

) V% R5 }+ E' d! E* k0 u铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。
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在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

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(2)相变应力
% G- X+ I; l( s' k. |常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶
- s! Z) p7 i) z& N$ ~% V过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积
膨胀
，薄壁部分阻碍
5 [8 |6 O3 T9 j3 m1 V其膨张，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力，薄辟部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于朔形状态，应力虽然不段产生? 但又不断被塑性变性所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(既γ-Fe变为a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃
和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反? 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不在产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起去起主要作用。
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(3)收缩应力(亦叫机械阻碍应力)：
铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失

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4)残余应力的分类残余应力的分类有许多种③，如：
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a)按应力产生的原因，有热应力.相变应力.收缩应力。详细内容如上所述。

, S& X- }! M/ e) ?b)按应力方向分有拉应力(力的方向向背的应力)，压应力(力的方向相同的应力)。

c)按影响区域的大小分有：
3 A! e" ?9 K5 v  B/ S  {
/ |" r; A2 O+ s4 G0 W. w  n第一类应力，亦叫宏观应力。它是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力? 如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧臂分布的压应力等。
2 r4 j9 O8 K3 ^( }
. }3 L, T  p$ \# F/ k第二类应力，亦叫微观应力。它是存在与一个晶粒或几个晶粒内，并保持平衡的应力。
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/ K5 b% X/ ~0 a" ^. {! l, o例如：晶粒1.2.3.4.5同处拉应力的应力场中，应力大小为σ。从金属物理④可知：各个晶粒所受的切应力与取向因子成正比。假设晶粒1的取向因子最大，则晶粒1切应力最大? 若此切应力略大于临界内应力，则晶粒1产生塑性变性。其与个晶粒处于弹性状态。
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当应力σ除掉后，晶粒2.3.4.5均为回复到原状态，但晶粒1产生塑性伸长，不能恢复到状态，阻碍2.3.4.5晶粒回复，结果晶粒1受拉应力。其余各晶粒受拉应力。这种在几个晶粒间存在并保持平衡的应力，称为第二类残余应力。
0 @! d) M% }* f( q
) w( f, i- Q: A/ d' B第三类应力，亦叫超微观应力。它是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。
" q! R0 W6 Y# u; Y4 ~, S8 r/ S" s/ }: G例如，间隙原子与溶剂原子间存在的应力。

d)按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为：

% h! F: h. D7 v* Z; Q临时应力，所产生应力的条件消失后，应力也随之消失。

残余应力，亦叫残留应力或内应力。产生应力的条件消失后，应力依然存在于工件不同部位的应力叫残余应力。如热应力.相变内力.收缩应力等，都是残余应力。

  ?( G! Q/ m, y0 c: X0 V上述分类法，亦适用于焊接件、锻件等。

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2.焊接应力的产生：
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焊接中.焊缝处温度迅速升高，体积膨胀。热影响区温度低，阻碍焊缝膨胀，结果焊缝处产生压应力，热影响区产生拉应力。热影响区产生拉应力。但此时焊缝处于塑性状态，焊缝被压应力墩粗，松弛了此应力。

! d/ A9 w. j; F7 ~8 E- H( p) J9 v+ R焊后冷却后，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态。这是焊缝收缩，较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压应力，影响区受拉应力。但焊缝处于塑性状态，焊缝的塑性墩粗，松弛了此应力。

热影响区温度不断降低，冷却速度也变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向发生了转变：焊缝受拉应力，热影响区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快，收缩量大，热影响温度低，冷却速度低，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果焊缝受拉应力，热影响区受压应力。此时没有塑性变形，这一对压应力，随着温度的降低，焊缝收缩受阻碍越来越大，拉应力也越来越大，直至室温，拉应力可近似于屈服极限。
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( Q) [# ]* h$ f6 f! D5 F8 H" N综上所述，铸造.锻造.焊接等都必然产生残余应力。焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈服点的拉应力。而铸铁件由于石墨尖端的松弛，残余应力不高，其铸造应力范围列与表一。
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各种铸铁件的铸造应力单位：N/mm2
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铸铁种类  灰铸铁  合金铸铁  蠕虫状石墨铸铁  球墨铸铁
残余应力    52.3      106.3          127-137.3              180

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二.时效方法简介

构件在冷热加工过程中，必然产生残余应力，因此消除残余应力的时效工序就十分必要了。
凡是能降低残余应力，使工件尺寸精度稳定的方法都叫"时效"。
& n$ c& a3 c$ M时效方法有：热时效.振动时效.自然时效.静态过载时效.热冲击时效等。后两种方法应用少不再讲述。
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1.自然时效
8 q* x2 k  ]" R0 h4 ]! D' {. _  r自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，经过几个月至几年的风吹. 日晒.雨淋.和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。再温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。
% {  g5 B' u+ t. m8 C1 ~: I$ d自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置，石墨尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。
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2.热时效
% M8 t3 b6 {$ O6 U" U热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550℃左右，保温4-8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。
& M7 t; F" P% Q# C1 Q1 M热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长，会引起石墨化，构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。
热时效如果降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力(二次应力)，并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。

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降温速度对消除残余应力的影响

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降低温度速度℃/小时
残余应力消除的百分数(%)
- F( ^" a8 i0 R$ i8 Y- |130                                       6-27
2 C+ U% k1 @/ e- d& I50                                        40-50
: R4 p* O1 D  F4 [30                                        60-85
, y2 B; R6 N5 s" q: \$ M/ p9 y) c注：炉内温度差不大于25℃
  `) j8 D' p- N& M/ F+ W热时效存在的问题：
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- y  q9 n4 Y) c0 X; U+ j1) 建窑占地面积大，费用高(每立方米1-1.2万元)。
, G7 R9 P" j4 o( F1 Q2) 热时效能耗高，生产成本高。
, w! M" _' {' {7 ]5 Q+ G9 _" L, }2 ]3) 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。

9 v5 V6 X9 o4 w( N! y/ V可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。
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4) 热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。