应力分析

1.应力的定义材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即为内力，或物体由于外因（受力、温度变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。内应力指组成单一构造的不同材质之间，因材质差异而导致变形方式的不同，继而产生的各种应力。应力的种类热应力：材料由于温度变化所产生的应力。静态应力：所施加于物体上的力大小与方向不随时间变化的应力。动态应力：所施加于物体上的力大小随时间变化的应力。疲劳应力：长时间反复施加于物体上使得物体发生疲劳的应力。残留应力：物体受力后所产生的应变超过弹性范围，而使得物体内部无法恢复原来的状态所残存的应力。残余应力是材料及其制品在机加工或合金过程中产生的平衡于材料或制品内部的应力。在各种机械和钢结构制造过程中,特别是经过焊接等热加工处理,无法避免地会在结构内部造成很大的残余应力。加工后的残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能,同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响,对结构的强度造成很大危害,测量工具及方法1.机械法应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。一般通过采集应变片的信号，而转化为电信号进行分析和测量。将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。1)钻孔法:这种方法的测量精度高,对构件的破坏性小,操作简单方便,在工业实际中得到广泛的应用。在直径d0的钻孔外侧有一直径为d的圆环,并在圆环上设置测点,与x轴成α角,其释放的径向应变εx和εy与钻孔释放的残余应力之间的关系,可按带孔无限板的弹性理论,同时承受双轴膜应力σx和σy的条件求解。钻孔法测量残余应力的原理是采用特制的箔式应变花粘贴在预测工件的表面上,在应变花中心钻一小孔,产生局部应力释放,应变片感受出应变变化,该应变称为释放应变,可由连接各个应变片的应变仪测读出来,通过弹性力学公式可得到在孔深范围内的平均主应力(σ1σ2)和主应力方向角(θ)。2)切条法:很多情况下可以假设残余应力主要是单轴作用的,在要测量的残余应力的方向,把构件切成大量的窄条,并由释放的应变求得应力,σx=-Eεx。可用锯条进行切条,释放应变由可拆御的应变计或粘贴的电阻应变计测量。双轴残余应力的确定是不可缺少的技术,在切条法中,给出相互垂直的x和y方向要测量的正应力σx和σy,假定在板厚方向应力不变,测量基线或应变计通常设置在板两侧,然后把板切成若干方块,残余应力σx和σy可由释放的应变εx和εy求得:在确定整个平面应力状态时至少需要3个测量方向,可采用由3个应变片组成的应变花,其原理与钻孔法相似。3)逐层铣削法:是采用铣、研磨抛光、腐蚀、电解腐蚀或电火花剥蚀等对已磨削表面进行剥层,使表面残余应力释放,引起试件产生变形,由此变形量的大小,再根据弹性理论可以推算出被削层内的应力[4]。这种方法的优点是可以测定厚度上梯度较大的内应力。2.非破坏性测量方法1)X射线衍射法:X射线对晶体晶格的衍射发生干涉现象,可求出晶格的面间距,并确定残余应力。由于X射线的穿透深度极浅,它只能在表层深度30μm左右的范围测量[10]。它的优点是可以测量出应力的绝对值。但该方法对试件表面要求十分严格,且设备昂贵,操作复杂。美国汽车工程师学会和日本材料学会都把X射线衍射法作为测量材料应力的标准使用[11]。由于穿透深度极浅，在测内部应力时必须剥层。X射线法由于是通过直接测量晶体的原子间距来得到构件的变形信息，具有较高的精度然而，这种方法对粗晶等材料的测试目前尚有困难，某些材料很难找到衍射面，X射线测试设备也比较复杂。2)中子衍射法:它是一种测量构件内部残余应力的常用方法。通过研究衍射束的峰值位置和强度,可获应力或应变的数据[12]。但中子的穿透深度比X射线大得多,可以用来测量焊接构件沿层深的残余应力。由于材料中参与反射的区域较大,故中子衍射法可测定很大区域内基体中平均残余应力。3)磁性法[13,15]:利用磁致伸缩效应来测定应力,当应力变化时,由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化,并使感应器线圈的感应电流发生变化,由此变化可以测出应力的变化。它的最大特点是测量速度快,非接触测量,适合现场,但测试结果受很多因素影响,可靠性和精度差,量值标定困难,对材质较敏感,且仅能用于铁磁材料。磁性法都是需要外部激励磁场来工作,因此带来了磁化不均匀,设备笨重,消耗能源,剩磁和磁污染等问题。4)超声波法:当没有应力作用时,超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度不同,利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力[16]。从理论上讲,只要发射超声波功率足够大,可穿透任意厚度的工作,因此它适合测量大型构件的三维残余应力,但测量精度低,只能测试高值残余应力,该方法目前还处于试验研究阶段。5)电子散斑干涉法[13]:它是一种激光干涉技术。当构件有应力作用时,材料表面产生形变,干涉条纹图形即发生变化,通过干涉条纹的变化可知构件的应力变化情况。它只能测量构件表面的应力情况。测量时对抗震性要求很高,且在暗室条件下工作,工作环境受到很大的限制。6)金属磁记忆法[17]:这是一种新型的无损检测方法,基本原理[21]是记录在工作载荷作用下设备和金属结构局部应力集中区产生的漏磁场。磁记忆方法的特殊点在于[22],其原理是利用在工作载荷作用下形成的金属稳定位错滑移带区域中所产生的自有漏磁场,金属磁记忆法兼有无损检测功能和断裂力学所提供的潜力。除了以上测量方法外,近年来有一批新的测试技术应用而生[18,21],如用屈服条件确定残余应力,无损电测法,脆性涂层法,云纹法,反向叠加应力法,热评估法,硬度法,数字散斑法以及压良叠加应力测量法等,有时也可根据具体情况将各种测试方法综合起来应用。3消除残余应力的方法由于构件中残余应力的不良影响,科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作,一方面通过改善加工工艺参数,尽量减小残余应力,另一方面提出一些消除残余应力的措施:1)局部低温势处理[22]:对于焊接件而言,在焊缝近区两侧不太宽的范围内加热,及中间近区部位冷却,造成一个温差,使焊缝和近区的材料受到拉伸并达到塑性变形的程度,此塑性变形抵消焊接过程中的压缩塑性变形,从而使焊缝近区拉伸残余应力消除。2)磁振动消除残余应力技术:将工件在固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理,消除其残余应力,获得尺寸稳定的一种方法[23],振动消除残余应力就是用振动处理的方法来代替热时效和自然时效,具有投资少、生产周期短、节约能源、降低成本、使用方便、效果显著等特点。对于焊接残余应力越高,振动时效处理降低应力越多,均化效果越好。3)爆炸法消除残余应力[24]:它是利用爆炸冲击波的能量使样品塑性变形,从而达到降低或消除残余应力的目的。爆炸时可使金属在拉伸残余应力区产生伸长塑性变形,在压缩残余应力区产生压缩塑性变形,两种情况都可导致残余应力的降低。4测试方法的选择在确定金属和金属结构的残余应力时,针对工件选择最合理的测定方案很重要,主要应考虑[25]:1)允许结构受损伤的程度;2)金属性能变化的影响;3)现场测试的适应性;4)费用和时间。残余应力测定方法的不断进步为科学研究和工业生产提供了更大的方便,今后这一领域的研究工作仍十分艰巨,它的研究和应用仍然是科学研究领导内的重要工作。危害开裂因为应力的存在，在受到外界作用后（如移印时接触到化学溶剂或者烤漆后端时高温烘烤），会诱使应力释放而在应力残留位置开裂。翘曲及变形因为残留应力的存在，因此产品在室温时会有较长时间的内应力释放或者高温时出现短时间内残留应力释放的过程，同时产品局部存在位置强度差，产品就会在应力残留位置产生翘曲或者变形问题。产品尺寸变化因为应力的存在，在产品放置后或处理的过程中，如果环境达到一定的温度，产品就会因应力释放而发生变化。3消除残余应力的方法由于构件中残余应力的不良影响,科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作,一方面通过改善加工工艺参数,尽量减小残余应力,另一方面提出一些消除残余应力的措施:1局部低温势处理[22]对于焊接件而言,在焊缝近区两侧不太宽的范围内加热,及中间近区部位冷却,造成一个温差,使焊缝和近区的材料受到拉伸并达到塑性变形的程度,此塑性变形抵消焊接过程中的压缩塑性变形,从而使焊缝近区拉伸残余应力消除。2磁振动消除残余应力技术:振动时效技术，国外称之为VibratingStressRelief（简称VSR）,旨在通过专用的振动时效设备，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，最终使残余应力得到消除和均化，从而保证了工件尺寸精度的稳定性[5]。振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，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，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。3爆炸法消除残余应力[24]:它是利用爆炸冲击波的能量使样品塑性变形,从而达到降低或消除残余应力的目的。爆炸时可使金属在拉伸残余应力区产生伸长塑性变形,在压缩残余应力区产生压缩塑性变形,两种情况都可导致残余应力的降低。4.自然时效消除残余应力公式自然时效是通过把零件暴露于室外，经过几个月至几年的时间，使其尺寸精度达到稳定的一种方法。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。然而，经过自然时效的工件，其残余应力的变化并不明显，由图3-1可见，铸件试样放置一年以后，残余应力仅降低2-10%；实测机床床身残余应力的结果表明，进行为期一年的自然时效后，最大残余应力由80N/mm降至70N/mm平均残余应力由38N/mm降至30N/mm，即仅仅降低了大约10-20%。由此可见，经自然时效后已停止变形的铸件，仍然残存着相当大的残余应力。对于那些使用时需承受很大载荷的铸件，当在较高残余应力上再叠加使用应力时就有可能影响铸件的使用性能，因此必须慎重考虑是否应该采用这种时效方法。5.热时效法最传统、也是目前最普及的方法——热时效法，把工件放进热时效炉中进行热处理，慢慢消除应力。这种方法的缺点也非常显著，比如卫星制造厂对温度控制要求非常严格的铝合金工件以及长达十米或者更大的巨型工件都无法用这种方法处理。而且这种方法还带来了大量的污染和能源消耗，随着中国及世界范围内对环保的进一步要求，热时效炉的处理方式马上面临全面退出的境地。6.利用亚共振来消除应力这种方法虽然解决了热时效的环保问题，但是使用起来相当烦琐，要针对不同形状的工件编制不同的时效工艺，如果有几百上千种工件就要编几百上千种工艺，而且在生产时操作相当复杂，需要操作者确定处理参数，复杂工件必须是熟练的专业技术人员才能操作。更令人遗憾的是这种方法只能消除23%的工件应力，无法达到处理所有工件的目的。