残余应力产生的原因及检测和消除方法

 振动时效工艺     |      2024-07-27 11:46
残余应力是指一个构件在生产、加工及处理过程中,受到了不均匀应力场、应变场、温度场、材料组织的不均匀性等内在和外在的影响,在构件完成后仍然保留下来的应力。

残余应力产生的原因主要有以下几种:
- 热处理:在加热或冷却过程中,材料内部会产生不均匀的应力分布。
- 表面处理:如喷丸、滚压等处理方式会在材料表面引入残余应力。
- 切削和磨削:加工过程中会产生局部的应力集中,从而导致残余应力的产生。
- 冷加工:材料在冷加工过程中会发生塑性变形,从而产生残余应力。
- 铸、锻造:在铸造和锻造过程中,材料内部会产生不均匀的应力分布。
- 电镀:电镀过程中,金属离子在材料表面的沉积会导致残余应力的产生。
- 焊接:焊接过程中,焊缝附近的材料会经历快速的加热和冷却,从而产生残余应力。
 
残余应力的检测方法主要有盲孔法、磁测法、X射线衍射法、超声波法等。
金属残余应力检测(应力测试)方法 目前市面上最常见的应力检测方式主要分为应力有损检测、应力无损检测两种。其区别就是是否破坏金属工件。
 
(1)盲孔法应力检测:
 
盲孔法应力检测仪
 
属于有损检测法,在有残余应力的的构件上钻一小孔,使孔的领域由于部分应力释放产生相应位移形变,经换算得到孔处原有应力。具体来说就是在金属零部件平衡状态下的原始应力场上钻孔 ,以去除一部分具有应力的金属,而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛,钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布,并呈现新的应力平衡,从而使圆孔附近的金属发生位移或应变,通过高灵敏度的应变仪,测量钻孔后的应变量,就可以计算原应力场的应力值。 
 
(2)X射线衍射法应力检测
 
X射线应力检测
 
X射线衍射主要是利用晶体X射线衍射的布拉格方程,依据晶体衍射峰的偏移方向和幅度来确定残余应力的性质和大小。属于无损检测,测试精度高。缺点是仅能完成表层应力值测试:厚度根据材质不同大概在几微米到几十微米之间。通过逐层剥离可进行构件更深处残余应力值测定,但是剥离会对测试结果精度有一点影响。尤其是表层残余应力梯度大的试样,影响尤甚。
 
(3)磁测法应力检测 
磁测法残余应力检测主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生变化确定残余应力的大小和方向。
 
 
(4)同步辐射应力检测
 同步辐射检测残余应力的原理是利用电磁辐射所产生的波,在零件表面发生衍射判断原子间距发生的变化进而推导出残余应力。与传统的X光相比,同步辐射波长具有亮度强、波谱宽、准直度高、脉冲性和偏振性等独特性能,测定残余应力时可以选用不同晶面和测定不同深度,可开展空间分辨率高的残余应力无损测定和结合试验台开展某些原位实验,它的缺点是因使用多级加速器而占地面积大和运行投入成本高。
 
(5)中子衍射应力检测 
中子衍射和同步辐射一样,都是利用晶体衍射的布拉格方程来计算出应变再算出残余应力,它的优点是可无损原位测定材料内部的残余应力,缺点是测定的数值是较大区域内的平均应力,对测定残余应力梯度分布,尤其是喷丸强化的残余应力分布很难精确测定,而且设备投入大运行费用高。
 
(6)全自动梯度应力检测及分析系统 
 
 
SCGS20可以实现材料深度方向的梯度应力精准测量及工件整体的应力分析,目前其他公司的应力测量水平受限于表层测量。
全自动检测、梯度定制测量及分析
采用全自动编程控制钻孔装置,梯度方向自动进给,可以实现微进给深度0.05mm,高精显微定位,更加精准。应力检测精度无限接近真实水平。可以检测钢、铸铁、铝及合金、钛合金、镁合金等各种金属合金,还可以检测塑料、橡胶等复合材料以及岩石、混凝土、玻璃、植物等特殊材料。
 
 
消除残余应力的方法主要有热时效、振动时效等。具体方法如下:
- 热时效法:
    - 回火:将工件加热到一定温度,然后保持一段时间,再缓慢冷却。
    - 电阻法:通过直接加热的方式,对工件的局部进行加热。
- 机械法:
    - 静载法:将工件放置在自然环境中,让其自然时效。
    - 振动时效法:通过共振和谐波的方式对工件进行激振,并对激振过程进行控制和检测。振动时效工艺以其高效、快捷、易用及良好的应力消除均化效果,逐步替代其他时效方法,成为业界消除应力的首选。

全新三维振动时效设备,从三个维度来消除工件的残余应力。消除应力效果比普通的振动时效好!

    - 滚压法:通过滚压的方式在工件表面产生压应力,从而提高疲劳强度、光洁度和使用寿命。
    - 喷丸法:通过喷丸的方式在工件表面产生压应力,从而提高抗疲劳性、硬度和耐腐蚀性。
 
需要注意的是,残余应力的消除方法需要根据具体情况进行选择,并且在实施过程中需要严格控制工艺参数,以确保消除效果和工件的质量。同时,残余应力的检测和消除需要由专业人员进行操作,以确保安全和准确性。