鋼材鋼管材料中的應(yīng)力及其危害

作者：董經(jīng)理1333???3??? 更新時間：2022-12-14 點(diǎn)擊數(shù)：

鋼材鋼管材料中的應(yīng)力及其危害

物體由于外因（受力、濕度、溫度場變化等）而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并試圖使物體從變形后的位置恢復(fù)到變形前的位置。

在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。

應(yīng)力狀態(tài)

物體由于外因（受力、濕度、溫度場變化等）而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力是矢量，沿截面法向的分量稱為正應(yīng)力，沿切向的分量稱為切應(yīng)力

物體中一點(diǎn)在所有可能方向上的應(yīng)力稱為該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。但過一點(diǎn)可作無數(shù)個平面，是否要用無數(shù)個平面上的應(yīng)力才能描述點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)呢？通過下面的分析可知，只需用過一點(diǎn)的任意一組相互垂直的三個平面上的應(yīng)力就可代表點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而其它截面上的應(yīng)力都可用這組應(yīng)力及其與需考察的截面的方位關(guān)系來表示。

應(yīng)力張量

如右圖所示，P為直角坐標(biāo)系0XYZ中一變形體內(nèi)的任意點(diǎn)，在此點(diǎn)附

應(yīng)力

近切取一個各平面都平行于坐標(biāo)平面的六面體。此六面體上三個互相垂直的三個平面上的應(yīng)力分量即可表示該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。

為規(guī)定應(yīng)力分量的正負(fù)號，首先假設(shè)：法向與坐標(biāo)軸正向一致的面為正面；與坐標(biāo)軸負(fù)向一致的面為負(fù)面。進(jìn)而規(guī)定：正面上指向坐標(biāo)軸正向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)；負(fù)面上指向坐標(biāo)軸負(fù)向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)。三個正面上共有九個應(yīng)力分量（包括三個正應(yīng)力和六個切應(yīng)力）。此九個應(yīng)力分量可寫成如下矩陣形式：

應(yīng)力分量的第一個下標(biāo)表示作用平面的法向；第二個下標(biāo)表示應(yīng)力作用的方向。正應(yīng)力的兩個下標(biāo)是一樣的，故用一個下標(biāo)簡寫之。

應(yīng)力

由于切應(yīng)力互等定理，上列矩陣中對角的切應(yīng)力是相等的，即：τxy=τyx, τyz=τzy, τzx=τxz。因此，此矩陣為對稱矩陣，九個應(yīng)力分量中六個應(yīng)力分量是獨(dú)立的。

主應(yīng)力

應(yīng)力

如果作用在某一截面上的全應(yīng)力和這一截面垂直，即該截面上只有正應(yīng)力，切應(yīng)力為零，則這一截面稱為主平面，其法線方向稱為應(yīng)力主方向或應(yīng)力主軸，其上的應(yīng)力稱為主應(yīng)力。如果三個坐標(biāo)軸方向都是主方向，則稱這一坐標(biāo)系為主坐標(biāo)系。

在塑性力學(xué)中，常將應(yīng)力張量分解為：

應(yīng)力

式中，稱為平均正應(yīng)力。等號右端第一項(xiàng)稱為球形應(yīng)力張量；第二項(xiàng)可記為：

應(yīng)力

稱為應(yīng)力偏量張量。

應(yīng)力張量不變量

在求解主應(yīng)力的過程中會得到以主應(yīng)力為未知數(shù)的三次方程，叫做狀態(tài)方程。

狀態(tài)方程的三個系數(shù)唯一由主應(yīng)力確定，而一點(diǎn)的主應(yīng)力是唯一的，這樣就得到了不隨坐標(biāo)變化的三個量，叫作應(yīng)力張量不變量。

平衡微分方程

以上說明的都是一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而物體內(nèi)部不同點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)一般是不同的，那么如何描述相鄰點(diǎn)間的應(yīng)力變化關(guān)系呢？

應(yīng)力

以物體內(nèi)某一點(diǎn)P(x,y,z)為頂點(diǎn)截取邊長分別為dx,dy,dz的直角平行六面體微元，另一個頂點(diǎn)的坐標(biāo)則為(x+dx,y+dy,z+dz)。根據(jù)靜力平衡方程，并處理掉高階小量，得到應(yīng)力平衡微分方程。

應(yīng)力

分類

正應(yīng)力與剪應(yīng)力

同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。應(yīng)力

應(yīng)力

會隨著外力的增加而增長，對于某一種材料，應(yīng)力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要破壞。對某種材料來說，應(yīng)力可能達(dá)到的這個限度稱為該種材料的極限應(yīng)力。極限應(yīng)力值要通過材料的力學(xué)試驗(yàn)來測定。將測定的極限應(yīng)力作適當(dāng)降低，規(guī)定出材料能安全工作的應(yīng)力最大值，這就是許用應(yīng)力。材料要想安全使用，在使用時其內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)低于它的極限應(yīng)力，否則材料就會在使用時發(fā)生破壞。

有些材料在工作時，其所受的外力不隨時間而變化，這時其內(nèi)部的應(yīng)力大小不變，稱為靜應(yīng)力；還有一些材料，其所受的外力隨時間呈周期性變化，這時內(nèi)部的應(yīng)力也隨時間呈周期性變化，稱為交變應(yīng)力。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時，破壞就可能發(fā)生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對于組織均勻的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，這在構(gòu)件的設(shè)計時應(yīng)特別注意。

物體受力產(chǎn)生變形時，體內(nèi)各點(diǎn)處變形程度一般并不相同。用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。為此可在該點(diǎn)處到一單元體，比較變形前后單元體大小和形狀的變化。

單位：Pa，Psi

拉應(yīng)力與壓應(yīng)力

一個圓柱體兩端受壓，那么沿著它軸線方向的應(yīng)力就是壓應(yīng)力。壓

應(yīng)力

應(yīng)力就是指使物體有壓縮趨勢的應(yīng)力。不僅僅物體受力引起壓應(yīng)力，任何產(chǎn)生壓縮變形的情況都會有，包括物體膨脹后。另外，如果一根梁彎曲，不管是受力還是梁受熱不均而引起彎曲，等等，彎曲內(nèi)側(cè)自然就受壓應(yīng)力，外側(cè)就受拉應(yīng)力。

其實(shí)，拉應(yīng)力表示正值的正應(yīng)力，壓應(yīng)力表示負(fù)值的正應(yīng)力。
　　應(yīng)力的單位為Pa。
　　1 Pa=1 N/m2
　　工程實(shí)際中應(yīng)力數(shù)值較大，常用MPa或GPa作單位
　　1 MPa=10^6Pa
　　1 GPa=10^9Pa

測量工具

應(yīng)力儀或者應(yīng)變儀是來測定物體由于內(nèi)應(yīng)力的儀器。一般通過采集應(yīng)變片的信號，而轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行分析和測量。

方法是：將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個原理，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變進(jìn)行測定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。

通過惠斯通電橋，便可以將這種電阻的比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓。然后不同的儀器，可以將這種電壓的變化轉(zhuǎn)化成可以測量的數(shù)據(jù)。

對于應(yīng)力儀或者應(yīng)變儀，關(guān)鍵的指標(biāo)有：測試精度，采樣速度，測試可以支持的通道數(shù)，動態(tài)范圍，支持的應(yīng)變片型號等。并且，應(yīng)力儀所配套的軟件也至關(guān)重要，需要能夠?qū)崟r顯示，實(shí)時分析，實(shí)時記錄等各種功能，高端的軟件還具有各種信號處理能力。

另外，有一些儀器是通過光譜，膜片等原理設(shè)計的。

危害

開裂

因?yàn)閼?yīng)力的存在，在受到外界作用后（如移印時接觸到化學(xué)溶劑或者烤漆后端時高溫烘烤），會誘使應(yīng)力釋放而在應(yīng)力殘留位置開裂。開裂主要集中在澆口處或過度填充處。

翹曲及變形

因?yàn)闅埩魬?yīng)力的存在，因此產(chǎn)品在室溫時會有較長時間的內(nèi)應(yīng)力釋放或者高溫時出現(xiàn)短時間內(nèi)殘留應(yīng)力釋放的過程，同時產(chǎn)品局部存在位置強(qiáng)度差，產(chǎn)品就會在應(yīng)力殘留位置產(chǎn)生翹曲或者變形問題。

產(chǎn)品尺寸變化

因?yàn)閼?yīng)力的存在，在產(chǎn)品放置后或處理的過程中，如果環(huán)境達(dá)到一定的溫度，產(chǎn)品就會因應(yīng)力釋放而發(fā)生變化。

殘余應(yīng)力消除

自然時效消除殘余應(yīng)力

公式

自然時效是通過把零件暴露于室外，經(jīng)過幾個月至幾年的時間，使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定的一種方法。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，自然時效具有穩(wěn)定鑄件尺寸精度的良好效果。

然而，經(jīng)過自然時效的工件，其殘余應(yīng)力的變化并不明顯，由圖3-1可見，鑄件試樣放置一年以后，殘余應(yīng)力僅降低2-10%；實(shí)測機(jī)床床身殘余應(yīng)力的結(jié)果表明，進(jìn)行為期一年的自然時效后，最大殘余應(yīng)力由80N/mm降至70N/mm平均殘余應(yīng)力由38N/mm降至30N/mm，即僅僅降低了大約10-20%。由此可見，經(jīng)自然時效后已停止變形的鑄件，仍然殘存著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。對于那些使用時需承受很大載荷的鑄件，當(dāng)在較高殘余應(yīng)力上再疊加使用應(yīng)力時就有可能影響鑄件的使用性能，因此必須慎重考慮是否應(yīng)該采用這種時效方法。

熱時效法

最傳統(tǒng)、也是目前最普及的方法——熱時效法，把工件放進(jìn)熱時效爐中進(jìn)行熱處理，慢慢消除應(yīng)力。這種方法的缺點(diǎn)也非常顯著，比如衛(wèi)星制造廠對溫度控制要求非常嚴(yán)格的鋁合金工件以及長達(dá)十米或者更大的巨型工件都無法用這種方法處理。而且這種方法還帶來了大量的污染和能源消耗，隨著中國及世界范圍內(nèi)對環(huán)保的進(jìn)一步要求，熱時效爐的處理方式馬上面臨全面退出的境地。

利用亞共振來消除應(yīng)力

這種方法雖然解決了熱時效的環(huán)保問題，但是使用起來相當(dāng)煩瑣，要針對不同形狀的工件編制不同的時效工藝，如果有幾百上千種工件就要編幾百上千種工藝，而且在生產(chǎn)時操作相當(dāng)復(fù)雜，需要操作者確定處理參數(shù)，復(fù)雜工件必須是熟練的專業(yè)技術(shù)人員才能操作。更令人遺憾的是這種方法只能消除23%的工件應(yīng)力，無法達(dá)到處理所有工件的目的。

振動時效去除應(yīng)力

振動時效技術(shù)，國外稱之為"Vibrating Stress Relief"（簡稱"VSR"）,旨在通過專用的振動時效設(shè)備，使被處理的工件產(chǎn)生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件所有部位，使工件內(nèi)部發(fā)生微觀的塑性變形—被歪曲的晶格逐漸恢復(fù)平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎，最終使殘余應(yīng)力得到消除和均化，從而保證了工件尺寸精度的穩(wěn)定性。

振動時效的實(shí)質(zhì)是以共振的形式給工件施加附加動應(yīng)力，當(dāng)附加動應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過材料的屈服極限時，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。

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