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零部件应力产生及振动时效消除

更新时间:2019/6/20  点击数:322



一、应力的概念
应力是反映零件和材料受力程度的物理量,表示单位面积上受到的内力大小。一般来说,稍复杂的零件在使用中在各部位所存在的应力是不相同的。机械结构零件中的应力不仅有大小,还有方向的不同,且与其所在截面的状态有关系。应力具有立体应力、平面应力和平面应变三种状态。应力所产生的作用与实际承受截荷的类型( 拉应力、压应力或切应力) 、承受应力数量、大小和方向密切相关。
拉应力和切应力对形变和破断起不同的作用: 切应力促进塑性滑移,是位错移动的推动力,它对形变和破断的发生和发展都产生影响,而拉伸应力只是促进脆性裂纹的扩展。压应力对防止裂纹萌生和零件断裂起抑制和延迟作用。局部应力高于平均应力的现象称为应力集中。零件的形状和截面急剧改变的地方都会出现应力集中,如台阶、沟槽、开孔、螺纹、键槽等; 材料表面及内部缺陷等附近都会出现应力集中现象,如划痕、折迭、脱碳、粗晶环、缩孔、气泡、疏松、偏析、夹杂、过热过烧、发纹等。形状越尖锐、材料强度越高,应力集中越严重。当这种应力集中大于材料抗拉强度时,零件就首先在应力集中的部位或附近发生断裂。
机械零件的残余应力,是机械零件在无外加载荷作用时,其内部或在较大范围内存在并保持平衡的一种内应力。残余应力的产生原因,有外部原因和内在原因。外在原因主要是不均匀塑性变形产生的,如弯曲、压延、拉拔、磨削和各种机械加工; 内在原因主要有零件内部各部分组织的不同和晶粒位向差异等。在零件加热和冷却过程中各部位有温度差和组织差异也产生应力,相变时由于有些相的比容差别较大,当从一种相转变为另外一种相时,产生的应力可能非常大,如奥氏体是面心立方结构,马氏体是体心立方结构,奥氏体的比容小于马氏体,从奥氏体转变成马氏体时应力就比较大。
电镀过程也会产生应力,国外有多种解释电镀过程产生应力的理论,主要有: 1) 镀层产生膨胀或收缩理论,认为镀层与基体相比会产生膨胀或收缩,膨胀或收缩的过程产生了应力; 2) 镀层与基体交界面的晶格错配理论,认为不同金属的晶格常数不同,为了结合在一起,在结合面上有些要拉大,有些要缩小,使结合面处产生应力; 3) 氢气共沉积理论,认为在电镀金属沉积的同时,氢与金属共沉积,在阴极析出大量的氢气,氢气很容易渗入镀层金属中,少量进入金属基体。进入镀层金属中的氢气导致晶格处于膨胀状态而产生应力。另外还有晶体连接理论、位错理论、过能量理论等。

二、残余应力对产品性能的影响分析
残余应力作为初始应力与工件所承受外部载荷共同作用时,则会提高或降低工件的承载能力。残余应力一般分为残余压应力和残余拉应力,产生表面压应力的工艺方法有喷丸强化、螺纹滚压,表面热处理( 如化学热处理、感应高频淬火、激光表面强化)等。产生拉应力的工艺过程包括高速切削、磨削、拉拔加工等冷加工过程及电镀工艺过程。残余应力对强度( 硬度) 、磨损、疲劳、腐蚀等性能会产生影响,不同种类的残余应力对工件性能产生的影响也不同,主要体现在: 1) 残余拉应力降低工件强度( 硬度) ,残余压应力可提高强度( 硬度) ; 2) 表面残余压应力可提高工件的疲劳性能,通常采用喷丸强化、螺纹滚压和孔的冷挤压等工艺来提高工件的疲劳寿命,拉应力则会明显降低工件的疲劳性能; 3) 表面存在残余应力会降低工件的耐磨性; 4) 拉应力是产生应力腐蚀的三个主要条件之一( 腐蚀介质、拉应力、较低的抗腐蚀性能) 。一般认为压应力对工件性能会产生有益的影响,加工过程中产生的拉应力则应尽量消除。

三、应力的调整和消除方法
在锻造、铸造、焊接、热处理、表面处理、机械加工等制造过程中,零件不可避免会产生应力,进行应力的消除( 实际上是减少) 或使之再分布加以调整是非常必要的。消除应力的方法很多,最常用的方法有加热法、拉伸法、深冷急热淬火法、振动时效法、自然放置法等。

振动时效
振动时效是通过振动的形式给工件施加一个动应力,当动应力与工件本身的残余应力叠加后,达到或超过材料的微观屈服强度极限时,工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形,时降低并均化工件内部的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定工件尺寸与几何精度,防止工件变形与开裂有常好的效果。振动时效可降低工件内部残余应力的( 峰值) 50% ~ 70%,与传统的加热时效基本相当,且工件表面无氧化脱碳现象,表面质量更优,在某些领域完全可以取代传统的加热时效工艺。


 

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