1、張貴杰張貴杰Tel-Mail： 河北聯合大學金屬材料及加工工程系河北聯合大學金屬材料及加工工程系金屬塑性變形理論金屬塑性變形理論第十講第十講2022-3-232第五章 塑性變形的不均勻性主要內容Main Content 變形不均勻的基本概念 變形不均勻的原因 減小變形不均勻的措施 殘余應力2022-3-2335.4 殘余應力(自習提綱) 殘余應力的概念殘余應力的概念 變形條件對殘余應力的影響變形條件對殘余應力的影響 殘余應力引起的后果殘余應力引起的后果 減小殘余應力影響的措施減小殘余應力影響的措施 殘余應力的測定方法殘余應力的測定方法2022-3-234殘余應力的概念

2、殘余應力的概念 殘余應力為塑性變形完畢后保留在變形物體內的殘余應力為塑性變形完畢后保留在變形物體內的附加應力。附加應力。 塑性變形的總位能是由釋出位能和約束位能兩部塑性變形的總位能是由釋出位能和約束位能兩部分所組成。釋出位能用來確定平衡外力作用的內分所組成。釋出位能用來確定平衡外力作用的內力的數值。而約束位能則是用來確定由塑性變形力的數值。而約束位能則是用來確定由塑性變形引起的相互平衡內力的數值。因附加應力是由不引起的相互平衡內力的數值。因附加應力是由不均勻變形引起的相互平衡的內力所造成，所以約均勻變形引起的相互平衡的內力所造成，所以約束位能也同樣可確定在每一變形瞬間附加應力的束位能也同樣可確

3、定在每一變形瞬間附加應力的數值。數值。2022-3-235 雖然殘余應力是變形完畢后保留在物體內的附加雖然殘余應力是變形完畢后保留在物體內的附加應力，但并不是所有的約束位能都用于形成殘余應力，但并不是所有的約束位能都用于形成殘余應力，而是有部分位能在塑性變形中由于軟化而應力，而是有部分位能在塑性變形中由于軟化而被釋放。因此，殘余應力的位能應小于在整個塑被釋放。因此，殘余應力的位能應小于在整個塑性變形過程中用于形成附加應力的位能。性變形過程中用于形成附加應力的位能。2022-3-236 殘余應力是由附加應力變化而來，所以殘余應力殘余應力是由附加應力變化而來，所以殘余應力也是相互平衡的。并與附加應

4、力相對應，殘余應也是相互平衡的。并與附加應力相對應，殘余應力也分為第一種、第二種和第三種殘余應力。力也分為第一種、第二種和第三種殘余應力。2022-3-237變形條件對殘余應力的影響變形條件對殘余應力的影響 殘余應力與附加應力一樣也同樣受到變形條件的影響。其中主要是變形溫度、變形速度、變形程度、接觸摩擦、工具和變形物體形狀等等。2022-3-238變形溫度在確定變形溫度的影響時應注意到在變形過程中是否有相變存在確定變形溫度的影響時應注意到在變形過程中是否有相變存在。若在變形過程中出現雙相系時，將會引起第二種附加應力在。若在變形過程中出現雙相系時，將會引起第二種附加應力的產生，從而使殘余應力增大

5、。的產生，從而使殘余應力增大。但在一般情況下，當變形溫度升高時，附加應力以及所形成的但在一般情況下，當變形溫度升高時，附加應力以及所形成的殘余應力減小。溫度降低時，出現附加應力和從而出現殘余應殘余應力減小。溫度降低時，出現附加應力和從而出現殘余應力的可能增大。因此，即使是對單相系金屬也不允許將變形溫力的可能增大。因此，即使是對單相系金屬也不允許將變形溫度降低到某一定值以下。度降低到某一定值以下。在變形過程中溫度的不均勻分布是產生極大附加應力的一個原在變形過程中溫度的不均勻分布是產生極大附加應力的一個原因，自然也是產生極大殘余應力的一個原因。如果變形過程在因，自然也是產生極大殘余應力的一個原因。

6、如果變形過程在高于室溫條件下完成時，具有某一數值的殘余應力時，則此殘高于室溫條件下完成時，具有某一數值的殘余應力時，則此殘余應力會因物體冷卻到室溫而增加。余應力會因物體冷卻到室溫而增加。2022-3-239變形速度 變形速度對殘余應力也有如同對附加應力那樣的變形速度對殘余應力也有如同對附加應力那樣的影響。通常，在室溫下以非常高的變形速度使物影響。通常，在室溫下以非常高的變形速度使物體變形時，其附加應力和殘余應力有減小的趨勢。體變形時，其附加應力和殘余應力有減小的趨勢。而在高于室溫的溫度下，增大變形速度時，這些而在高于室溫的溫度下，增大變形速度時，這些應力反而有可能增加。應力反而有可能增加。20

7、22-3-2310變形程度隨著變形程度的增加，第一種附加應力，亦即殘余應力隨著變形程度的增加，第一種附加應力，亦即殘余應力開始急劇增加。當塑性變形達到開始急劇增加。當塑性變形達到2025時，應力達到時，應力達到最大值。當變形繼續增加時，此應力將開始減小，并當最大值。當變形繼續增加時，此應力將開始減小，并當變形程度超過變形程度超過5265時，應力幾乎接近于零。變形程時，應力幾乎接近于零。變形程度的這種影響是指在低于度的這種影響是指在低于0.3對應溫度條件下進行的變形對應溫度條件下進行的變形而言。當溫度升高時，在較大的變形程度下才能使第一而言。當溫度升高時，在較大的變形程度下才能使第一種殘余應力達

8、到最大值，并在高于種殘余應力達到最大值，并在高于6070的變形條件的變形條件下，此應力也未降低到零。下，此應力也未降低到零。變形程度對第二種和第三種殘余應力的影響則是另一種變形程度對第二種和第三種殘余應力的影響則是另一種情況。這些殘余應力的數值將隨變形程度的增加而增大，情況。這些殘余應力的數值將隨變形程度的增加而增大，而且對于雙相系和多相系，比對單相系提高得更強烈。而且對于雙相系和多相系，比對單相系提高得更強烈。2022-3-2311變形程度和殘余應力能量的關系曲線變形程度和殘余應力能量的關系曲線1.第一、第二及第三種殘余應力總能的變化曲線；第一、第二及第三種殘余應力總能的變化曲線；2.第一種

9、殘余應力能第一種殘余應力能量變化曲線；量變化曲線；3.第二及第三種殘余應力總能量變化曲線第二及第三種殘余應力總能量變化曲線2022-3-2312殘余應力引起的后果殘余應力引起的后果 引起物體尺寸和形狀的變化引起物體尺寸和形狀的變化 當在變形物體內存在殘余應力時，則物體將會產當在變形物體內存在殘余應力時，則物體將會產生相應的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應力因生相應的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應的變形某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應的變形也將發生變化，引起物體尺寸和形狀改變。也將發生變化，引起物體尺寸和形狀改變。 2022-3-2313 對于對稱形的變

10、形物體對于對稱形的變形物體來講，僅發生尺寸的變來講，僅發生尺寸的變化，形狀可保持不變。化，形狀可保持不變。例如，當用表面層具有例如，當用表面層具有拉伸殘余應力和心部具拉伸殘余應力和心部具有壓縮殘余應力的棒材有壓縮殘余應力的棒材坯料在車床上車成圓柱坯料在車床上車成圓柱形工件時，切削后由于形工件時，切削后由于具有拉伸殘余應力的表具有拉伸殘余應力的表面層被車削掉，成品工面層被車削掉，成品工件的長度將有所增加。件的長度將有所增加。 2022-3-2314 若加工件是不對稱的，則物體除尺寸變化外，還若加工件是不對稱的，則物體除尺寸變化外，還可能發生形狀的改變。可能發生形狀的改變。 引起殘余應力的消失或減

11、小的原因，除機械加工引起殘余應力的消失或減小的原因，除機械加工外還有時間的延長等因素。有時，具有殘余應力外還有時間的延長等因素。有時，具有殘余應力的物體在熱處理過程中，或受到沖擊后也會發生的物體在熱處理過程中，或受到沖擊后也會發生尺寸和形狀的變化。尺寸和形狀的變化。 2022-3-2315板材裁剪后的變形板材裁剪后的變形2022-3-2316 使零件的使用壽命縮短使零件的使用壽命縮短 因殘余應力本身是相互平衡的，所以當具有殘余因殘余應力本身是相互平衡的，所以當具有殘余應力的物體受載荷時，在物體內有的部分的工作應力的物體受載荷時，在物體內有的部分的工作應力為外力所引起的應力與此殘余應力之和，有應

12、力為外力所引起的應力與此殘余應力之和，有的部分為其差，這樣就會造成應力在物體內的分的部分為其差，這樣就會造成應力在物體內的分布不均。此時工作應力達到材料的屈服強度時，布不均。此時工作應力達到材料的屈服強度時，物體將會產生塑性變形；達到材料的斷裂強度時，物體將會產生塑性變形；達到材料的斷裂強度時，物體將會產生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。物體將會產生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。 2022-3-2317 降低了金屬的塑性加工性能降低了金屬的塑性加工性能 當具有殘余應力的物體繼續進行塑性加工時，由當具有殘余應力的物體繼續進行塑性加工時，由于殘余應力的存在可加強物體內的應力和變形的于殘余應力的存

13、在可加強物體內的應力和變形的不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。 2022-3-2318 降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強度等。降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強度等。 2022-3-2319減小殘余應力影響的措施減小殘余應力影響的措施 殘余應力是由附加應力的變化而來，其根本原因殘余應力是由附加應力的變化而來，其根本原因就是物體產生了不均勻變形，使在物體內出現了就是物體產生了不均勻變形，使在物體內出現了相互平衡的內力。因此，殘余應力不僅產生在塑相互平衡的內力。因此，殘余應力不僅產生在塑性加工過程中，而且也產生在不均勻加熱、冷卻、性加工過

14、程中，而且也產生在不均勻加熱、冷卻、淬火和相變等過程中。淬火和相變等過程中。2022-3-2320減小或消除殘余應力的方法 減小材料在加工和處理過程中所產生的不均勻變減小材料在加工和處理過程中所產生的不均勻變形；形； 對加工件進行熱處理；對加工件進行熱處理； 進行機械處理。進行機械處理。2022-3-2321 減小不均勻變形減小不均勻變形 正確選定變形的溫度速度制度正確選定變形的溫度速度制度 減小金屬表面上的外摩擦減小金屬表面上的外摩擦 合理設計加工工具形狀合理設計加工工具形狀 盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻 2022-3-2322 對加工件進行熱處理對加

15、工件進行熱處理 物體內存在的殘余應力可用退火、回火等方式來減小或物體內存在的殘余應力可用退火、回火等方式來減小或消除。消除。 第一種殘余應力可在回火中大大減小。在許多情況下，第一種殘余應力可在回火中大大減小。在許多情況下，殘余應力只存在再結晶時才能完全消除。因之，為完全殘余應力只存在再結晶時才能完全消除。因之，為完全消除殘余應力，需要較高的溫度，有時也需要較長的退消除殘余應力，需要較高的溫度，有時也需要較長的退火時間。這樣就有可能引起晶粒大小產生很大的變化和火時間。這樣就有可能引起晶粒大小產生很大的變化和力學性能的改變。力學性能的改變。2022-3-2323 第二種殘余應力在溫度低于再結晶溫度

16、時的加熱過程中第二種殘余應力在溫度低于再結晶溫度時的加熱過程中幾乎完全消除。幾乎完全消除。 第三種殘余應力只有在再結晶過程中點陣完全恢復時才第三種殘余應力只有在再結晶過程中點陣完全恢復時才能消除。能消除。2022-3-2324 進行機械處理進行機械處理 機械處理方法是利用使物體表面產生很小的塑性變形的機械處理方法是利用使物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力。這種處理方法主要有：方法來減小殘余應力。這種處理方法主要有： （1）使零件彼此碰撞；）使零件彼此碰撞； （2）用木棒打擊表面；）用木棒打擊表面； （3）表面輥壓和壓平；）表面輥壓和壓平； （4）表面拉制；）表面拉制； （5）在模子

17、中作表面校形或精壓。）在模子中作表面校形或精壓。2022-3-2325 這種方法僅使工件產生表面變形，所以在變形中，這種方法僅使工件產生表面變形，所以在變形中，于工件表面層中產生附加壓應力，在工件中層產于工件表面層中產生附加壓應力，在工件中層產生附加拉應力。可見，此方法只能減小第一種殘生附加拉應力。可見，此方法只能減小第一種殘余應力，且只當工件表面層中具有殘余拉應力時余應力，且只當工件表面層中具有殘余拉應力時才能適用。才能適用。2022-3-2326 表面層中具有殘余拉應力的板材經表面輾壓后，其表面層中具有殘余拉應力的板材經表面輾壓后，其殘余應力大為減小。在一定限度內，表面變形越大，殘余應力大

18、為減小。在一定限度內，表面變形越大，殘余應力減小得越多。殘余應力減小得越多。 2022-3-2327 實驗證明，拉制黃銅棒經輾壓后，其內部的殘余應力發生如圖所示的變化。可見，表面變形可使原來的殘余應力幾乎減小一倍，甚至可使表面拉應力變成壓應力。 表面變形程度越大、殘余應力減少得越多。但此變形程度不應超過某一限度，一般是在1.53以下。若超過此限度，會造成有害的后果，因為這樣不但不會減小殘余應力，反而會使殘余應力增加。2022-3-2328黃銅捧在輾平前后的殘余應力分布圖黃銅捧在輾平前后的殘余應力分布圖a縱向應力；縱向應力；b切向應力；切向應力；c徑向應力徑向應力(實線為拉制銅捧的殘余攻力；虛線

19、表示銅棒在碾平后的殘余應力實線為拉制銅捧的殘余攻力；虛線表示銅棒在碾平后的殘余應力)2022-3-2329殘余應力的測定方法殘余應力的測定方法研究金屬物體內殘余應力的主要方法：研究金屬物體內殘余應力的主要方法： 機械法機械法 化學法化學法 X光法光法2022-3-2330機械法機械法 用此方法可測定棒材、管材等一類物體內的殘余用此方法可測定棒材、管材等一類物體內的殘余應力，其精確度可達每平方厘米內幾千克。應力，其精確度可達每平方厘米內幾千克。 2022-3-2331 其具體測量方法是：截取一段長度為其直徑三倍的棒材（或管材），在其中心鉆一通孔，然后用膛桿或鉆頭從內部逐次去除一薄層金屬，每次去除

20、約5%的斷面積，去除后測量試樣長度的延伸率 和直徑的延伸率 。2022-3-2332 根據公式根據公式 和和 繪制這些數值與鉆孔剖面積繪制這些數值與鉆孔剖面積F的關系曲線。并用的關系曲線。并用作圖法求出此曲線上任一點的導數作圖法求出此曲線上任一點的導數 和和 。 r1r2Fdd1Fdd22022-3-2333變形與鉆孔橫斷面積關系變形與鉆孔橫斷面積關系 2022-3-2334 縱向應力 切向應力 徑向應力 式中 110dd)(spFFE20202dd)(FFFFFFEt202FFFEtF21rEE2022-3-2335化學法 化學法是定性研究殘余應力的一種方法。此方法化學法是定性研究殘余應力的

21、一種方法。此方法是將試樣浸入到適當的溶液中，測量出自開始侵是將試樣浸入到適當的溶液中，測量出自開始侵蝕到發現裂紋的經過時間，按此經過的時間來判蝕到發現裂紋的經過時間，按此經過的時間來判斷殘余應力的大小。斷殘余應力的大小。 侵蝕試樣所用的溶液，對于含錫青銅可用水銀及侵蝕試樣所用的溶液，對于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對于鋼可用弱堿及硝酸鹽類。含水銀的鹽類，對于鋼可用弱堿及硝酸鹽類。 2022-3-2336 在判斷應力的形式時，若出現橫向裂紋，則可認在判斷應力的形式時，若出現橫向裂紋，則可認為是縱向應力作用的結果，若出現縱向裂紋，可為是縱向應力作用的結果，若出現縱向裂紋，可認為是橫向應力作用的

22、結果。在實際中準確地確認為是橫向應力作用的結果。在實際中準確地確定裂紋出現的時間比較困難，不過與其它機械法定裂紋出現的時間比較困難，不過與其它機械法相比較，還是可以定性地看出破裂時間與殘余應相比較，還是可以定性地看出破裂時間與殘余應力的關系。力的關系。 2022-3-2337用化學侵蝕法及機械方法實驗冷軋用化學侵蝕法及機械方法實驗冷軋黃銅殘余應力的比較曲線黃銅殘余應力的比較曲線2022-3-2338 另一種化學方法是，將試樣吊浸在適當的溶液里，另一種化學方法是，將試樣吊浸在適當的溶液里，隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經過時間的關系

23、曲線。與標準曲線相量減小量與經過時間的關系曲線。與標準曲線相比較，以判定殘余應力的大小。所得到的曲線的比較，以判定殘余應力的大小。所得到的曲線的位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘余應力位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘余應力越大越大 2022-3-2339用稱重法測定殘余應力的用稱重法測定殘余應力的試驗曲線試驗曲線2022-3-2340 化學方法對于測定金屬絲，薄條等類型的工件內化學方法對于測定金屬絲，薄條等類型的工件內的殘余應力是十分合適的。同時定性地來比較在的殘余應力是十分合適的。同時定性地來比較在不同的壓力加工制度和熱處理制度中所出現的殘不同的壓力加工制度和熱處理制度中所出現的殘余應力的大小也是很有用的。余應力的大小也是很有用的。 2022-3-2341X射線法 在在X射線法中可包括有勞埃法和德拜法。射線法中可包括有勞埃法和德拜法。 在勞埃法中可根據干擾斑點