钢铁企业自身的钢铁产品,无论是热轧、冷轧产品,还是硅钢、汽车板、中厚板和型线材,在钢材生产过程中因轧制、冷却、卷取、精整不适当而产生的残余应力。因对其规律认识不足,测量、消除与控制存在诸多障碍。
钢铁企业生产的钢铁产品在下游用户加工过程中因焊接、冷热成形、拉拔、切削、热处理等又重新形成的残余应力,即钢铁制成品中的残余应力。其测试与消除都有比较成熟的办法。
残余应力的危害
残余应力的危害主要是表现为尺寸稳定性或板形质量问题(见下图片)。
这种危害有很大的蒙蔽性:即出厂产品的各项性能、表面质量、规格和平整度等交货指标均完全满足用户的要求,但产品在到达用户手中进行相应的切割、焊接或冲裁时,因钢厂生产板材内部残留的较大残余应力的释放,不同程度地出现板料或零件的尺寸、形状发生变化,甚至发生板平面外的二次变形,使用户正在进行以及后续的加工、装配困难重重,甚至无法使用,还遗留很大的安全隐患。
1.翘曲
2.尺寸改变
3.弯曲
4.开裂
三、如何测量残余应力
1.有损测量法:
将具有残余应力的部件从构建中分离出来使得应力释放,测量其应变的变化求出残余应力.
优缺点:技术成熟,精度较高,但会对工件照成一定破坏.
常见方法:钻孔法,深孔法,全释放应变法,轮廓法,压痕法(近似无损)等.
2.无损测量法:
在不损害工件的前提下,测量残余应力的方法.
常见方法:X射线衍射法,超声法,磁测法,中子衍射法等.
3.钻孔法
钻孔法在1934年由德国学者MatharJ提出,现已经发展的较为成熟。其原理就是在被测工件的表面贴上应变花,并对工件打孔,孔周围应力松弛,而形成新的应力/应变场分布J;通过标定应变释放系数A、B,基于弹性力学原理可推算出工件原有残余应力及应变。
4.全释放应变法
全释放应变法是在含有残余应力的试件中,由于材料整体性切割分块后,原试件中残余应力发生变化导致尺寸发生相应改变,测量应变的变化量从而计算残余应力大小.
5.压痕法
压痕法是通过球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法.其原理是在被测工件的表面贴上应变花,采用压头制造压痕,通过测量应变增量,与标定的弹性应变与应变增量关系计算残余应力。
6.X射线衍射法
X 射线衍射法测量残余应力基于X射线衍射理论,晶体存在残余应力时,不同晶面间距随残余应力的大小发生规律性变化,通过测量晶面间距计算残余应力.是由俄国学者于1929年提出,经过多年发展,理论与实际测定方法都较为成熟,是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法.
7.超声法
超声法测量残余应力基于声弹性效应,超声波在固体中传播速度取决于固体中的残余应力.在材料性能已知的情况下通过测量超声波波速从而计算残余应力.
四、如何调控残余应力
残余应力对构件危害极大,因此控制及消除残余应力就十分必要。达到残余应力的调控消除的目的,常见有以下几种方式:
自然时效.自然时效是通过把零件暴露于室外,经过几个月甚至几年的时间,使其尺寸精度达到稳定的一种方法。这种时效方法虽然具有无污染,稳定铸件尺寸精度等优势,但时间长、占地广,后期还需进行除锈工艺。
热时效.把工件放进热时效炉中进行热处理,由室温缓慢均匀加热至一定温度后,保温4-8小时,再严格控制降温速度至较低温度以下出炉。热时效处理应用非常广泛,但耗时久,能源消耗大,且污染严重、成本高,工件受尺寸限制等。
超声时效法.利用大功率超声波推动冲击工具以高频冲击工件表面,使其表层产生较大压塑性变形,改变原有的残余应力场.
爆炸时效.使用爆炸产生的冲击波使工件发生塑性变形,从而达到消除残余应力的目的,常用于大型工件,周期短.
电磁时效.使用电磁膨胀使工件发生塑性变形,从而达到消除残余应力的目的.