影响表面残余应力的主要因素

发布者：admin 日期：2013-1-16 10:12:24

磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表层产生的残余拉应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹的产生会使零件承受交变载荷的能力大大降低。

如上所述，机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化三者综合作用的结果。在不同的加工条件下，残余应力的大小、符号及分布规律可能有明显的羞别。切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压应力。磨削加工时，通常热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化是产生残余应力的主要因素，所以表面层常存有残余拉应力。

磨削过程残余应力

1 磨削表面残余应力的形成机理塑性凸出效应的影响磨削时，由于磨粒切刃具有大的负前角，变形区的塑性变形非常严重，在磨粒刃尖前方区域将形成复杂的应力状态。在磨粒切刃刚走过的表面部分上，沿表面方向出现塑性收缩、而在表面的垂直方向出现拉伸塑性变形——这就是塑性凸出效应，结果磨削表面出现残余拉应力。挤光作用的影响在切削加工过程中，刀具和工件之间会产生作用力。垂直于被加工表面的作用力和由此产生的摩擦力一起对被加工表面产生挤光作用。当刀刃不锋利或切削条件恶劣时，挤光作用的影响更为明显，挤光作用会使零件表面产生残余压应力。热应力的影响磨削时，磨削表面层在磨削热的作用下产生热膨胀，而此时基体温度较低，磨削表面层的热膨胀受到基体的限制而产生压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形所允许的温度时，表面层的温度下降至与基体温度一致时，表面层产生残余拉应力。磨削液冷却效应磨削过程中，由于磨削液的使用，磨削表面层在冷却过程中会产生一个降温梯度，它与热应力的影响刚好相反，它可减缓由热应力造成的表面残余拉应力。磨削过程中，除了上述影响残余应力的因素外，还有表面层的二次淬火及表层的回火现象。 2 磨削表面残余应力数学模型的建立通过上述分析可知，影响磨削表面残余应力的主要因素可归纳为：磨削力、磨削温度和磨削液的冷却性。力和温度是磨削过程中产生的两种磨削现象，直接对残余应力产生影响；而磨削液对残余应力的影响，一方面是通过表面的降温过程直接产生的，另一方面是通过对力和温度的影响间接产生的。本文试图通过对力和温度的试验数据，以及磨削表面二维残余应力

测试数据的数学处理，给出一种反映力、温度和磨削液的冷却性能与表面残余应力关系的数学模型。数学模型中应包括上述影响磨削表面残余应力的因素，即 σRT=σF+σR+σL 式中：σRT——磨削表面残余应力 σF——磨削力的影响 σR——磨削温度的影响 σL——磨削液冷却性能的影响 1) 磨削力与残余应力关系的数学模型首先依据图1所示的模型来分析残余应力与塑性变形之间的关系。图1a为自由状态下的两个弹簧，图1b为两个弹簧被放入刚性板之间的状态。根据平衡条件可得出 N=k1k2(l1-l2)/(k1+k2) 式中：N——两个弹簧被放入刚性板后弹簧的内力 l1、l2——两个弹簧在自由状态下的长度 k1、k2——两个弹簧的弹性系数 l1-l2可看作是本文意义上的塑性变形。从上式中可得出，内力与塑性变形呈正比，即残余应力与塑性变形呈正比。图1 残余应力与塑性变形关系模型图2为应力σ与应变ε关系的简化模型。从图中可知 εB=(σB-σS)/E1+εSε＇A=εB/E

表面残余应力测试方法

表面残余应力测试方法由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面一、试样的表面处理 X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。（1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。（2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。（3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。（5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。（6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ范围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分陶瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。

管道应力分析基础知识

管道应力分析基础知识 2009-04-09 13:55 1. 进行应力分析的目的是 1) 使管道应力在规范的许用范围内； 2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准； 3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载； 4) 解决管道动力学问题； 5) 帮助配管优化设计。 2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。 1) 静力分析包括： (l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算――防止塑性变形破坏； (2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算――防止疲劳破坏； (3)管道对设备作用力的计算――防止作用力太大，保证设备正常运行； (4)管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据； (5)管道上法兰的受力计算――防止法兰泄漏； (6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。 2) 动力分析包括： (l)管道自振频率分析――防止管道系统共振； (2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力； (3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振； (4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。 3. 管道应力分析的方法管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什

么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。 4. 对管系进行分析计算 1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点： (1)管道端点 (2)管道约束点、支撑点、给定位移点 (3)管道方向改变点、分支点 (4)管径、壁厚改变点 (5)存在条件变化点（温度、压力变化处） (6)定义边界条件（约束和附加位移） (7)管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件） (8)定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等） (9)需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点) (10) 动力分析需增设点 2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算） (1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入） (2) 弹簧可由程序自动选取 (3) 计算结果分析 (4) 查看一次应力、二次应力的核算结果 (5) 查看冷态、热态位移 (6) 查看机器设备受力 (7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载） (8) 查看弹簧表

铸造残余应力的测定实验报告

铸造残余应力的测定实验报告 1. 实验目的 (1) 了解铸造残余应力的产生原因。 (2) 了解用应力框测定铸造残余应力的方法。 (3) 了解退火对消除残余应力的效果。 2. 实验原理 2.1 铸造应力铸件在凝固和冷却过程中由于各部分体积变化不一致导致彼此制约而引起的应力称为铸造应力。铸造应力可分为三种，即热应力、相变应力和收缩应力。铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残余应力。铸造应力对铸件质量有重要影响，如果铸造应力超过材料的屈服强度，铸件则产生变形；如果铸造应力超过材料的强度极限时，铸件则产生裂纹。残余应力还会降低铸件的使用性能，如失去精度、在使用过程中造成断裂或产生应力腐蚀等。 2.2 铸造应力的测定方法——应力框试验法图1为测定铸造残余应力的框形铸件，由于I 杆和II 杆截面尺寸差别大，因而铸造后细杆I 中形成压应力，粗杆II 中形成拉应力。若在A-A 截面处将粗杆锯开，锯至一定程度时，由于截面变小，粗杆被拉断。受弹性拉长的粗杆长度较自由收缩条件下的长度缩短，其缩短量?L 和铸造残留应力成正比，其值可根据锯断前、后粗杆上小凸台的长度(L 0 ,L 1）差求出，即?L ＝L 1一L 0。铸造残留应力σ1和σ2的计算公式为：细杆残留应力σ1＝－E )21(2101F F L L L +-，粗杆残留应力σ2＝－E ) 21(1 2 1F F L L L +- 图1应力框铸件图式中： σ1，σ2——细杆、粗杆中的铸造应力（MPa ）； L 0，L 1——锯断前、后小凸台的长度（mm ）；

F1，F 2——细杆、粗杆的横截面积（mm2）； L——杆的长度，L=130mm； E——弹性模量，普通灰铸铁取9×104MPa，球墨铸铁取1.8×105MPa。 2.3减小及消除残余应力的方法铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。因此应设法减小和消除残余应力。（1）减小铸造应力的措施和途径 ①选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。 ②减小铸件冷却过程中的温差：（a）在铸件厚实部位放置冷铁或蓄热系数大的型砂，加速厚实部分的冷却。（b）对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却。（c）在铸件壁薄处开内浇道，使铸件各部分温度趋于一致。（d）提高浇注时铸型的温度。（e）将铸件于红热状态开箱取出，尽快置于已加热到500~600℃的保温炉中，保持一定时间使铸件各部分温度趋于一致，然后随炉缓冷至200~250℃出炉。 ③改善铸型和砂芯的溃散性。 ④改进铸件结构，避免形成较大应力和应力集中。（2）消除铸件中残余应力的方法消除铸件中残余应力的方法有自然失效、人工时效和共振时效等方法。 ①自然失效将有残余应力的铸件放置在露天场地，经半年乃至一年以上，让残余应力逐渐自然消退，这种方法称为自然时效。 ②人工时效人工时效又称热时效或消除内应力退火。把铸件加热到合金的弹塑性状态的温度范围内，保持一定时间，使残余应力得以消除，然后缓慢冷却，以免重新产生残余应力。 ③共振时效共振时效的原理是：在激振器的周期性外力即激振力作用下，与铸件发生共振，因而使铸件获得相当大的振动能量。在共振过程中交变应力与残余应力叠加，产生局部屈服，引起塑性变形，使铸件中的残余应力逐渐松弛甚至消失，达到稳定铸件尺寸的目的。 3.实验内容本次实验测定应力框铸件（灰口铸铁）铸态及其退火热处理后的残余应力，测定步骤如下： (1)造型（3个应力框试样）； (2)浇注（铁水温度为1330～1350℃）； (3)用热分析装置测试一个铸型中应力框铸件厚、薄壁的冷却曲线。 (4)浇注后30min打箱，用钢丝刷刷去应力框铸件表面型砂； (5)将其中1个应力框放入热处理炉中，在550℃保温3小时后炉冷； (6)将上述2个应力框铸件的粗杆小凸台上成锐角相交的四个棱柱面锉平； (7)用卡尺测量小凸台长度L0； (8)在小凸台A-A截面处从1、2、3三面依次锯开粗杆（见图1），注意各锯口应在垂直于杆轴线的同一平面内。

残余应力产生及消除方法.

残余应力产生及消除方法船舶零件加工后,其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高零件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度,残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过零件材料的疲劳强度极限时,则使零件表面产生裂纹,加速零件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面: ( 一冷塑性变形引起的残余应力在切削力作用下,已加工表面受到强烈的冷塑性变形,其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出,此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后,基体金属趋向恢复,但受到已产生塑性变形的表面层的限制,恢复不到原状,因而在表面层产生残余压应力。 ( 二热塑性变形引起的残余应力零件加工表面在切削热作用下产生热膨胀,此时基体金属温度较低,因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时,表面温度下降较快,故收缩变形大于里层,由于表层变形受到基体金属的限制,故而产生残余拉应力。切削温度越高,热塑性变形越大,残余拉应力也越大,有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明显。 ( 三金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会引表面层的金相组织变化。不同的金相组织有不同的密度,表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时,因为受到基体的限制,产生了压应力;反之,则产生拉应力。总之,残余应力即消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等,不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。残余应力一般是有害的,如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后,残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形,甚至开裂,经淬火或磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷。当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加,而使总应力超过强度极限时,便出现裂纹和断裂。零件的残余应力大

核工业基本知识复习题(新)

核工业基本知识复习题是非题一、核能基础知识 1.核能是一种可持续发展的能源，通过几十年经验总结证明，核能是安全、（＋）经济、干净的能源。 2.核能是一种可持续发展的能源，其优越性是干净、经济、负荷因子高和功（＋）率调节能力强。 3.核电站具有安全、经济、负荷因子高和污染少等优点。（+ ） 4.我国目前投入商业运行的核电站都是轻水堆型。（－） 5.核能是原子核内部的化学反应释放出来的能量。（—） 6.核能是由质量转换出来的，符合爱因斯坦的著名公式E=mc2。（＋） 7.核电是释放核子内部能量来发电的，目前释放核子能的方法是裂变。（＋） 8.我国当前核电站的主要堆型是轻水压水堆。（＋） 9.我国压水堆核电站中所使用的冷却剂和载热剂也是降低裂变的中子能量（＋）的慢化剂。 10.核电站的类型是由核反应堆堆型确定的，目前世界上的核电站堆型仅有轻（—）水堆、重水堆。 11.核岛是发生核裂变并将核能变为热能的场所。（＋） 12.核电站的常规岛就是常规的火电站。（—） 13.核电站主要由核岛、常规岛和辅助设施组成。（＋） 14.核电站按冷却剂分类有水堆、气堆、液态金属堆和熔盐堆。（+）（＋）15.核电安全的三道安全屏障指的是核燃料元件包壳、一回路压力边界和安全壳。 16.秦山一期核电站反应堆是用轻水作为慢化剂和冷却剂的。（＋） 17.铀－235链式裂变反应是核能发电的物理基础。（＋） 18.秦山三期核电站反应堆是用重水作为慢化剂，轻水作为冷却剂的。（—） 19.全世界当前拥有的核电站数量已超过400座。（＋） 20.当前核电站单机容量最大的核电站是重水堆核电站。（—）

X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法

X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESS X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法什么是残余应力？外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的

E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。 X射线衍射法测量残余应力的基本原理Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即：式中θ0为无应力试样衍射峰的布拉格角，θψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。于是将上式代入并求偏导，可得：

关于残余应力的基本概念3

关于残余应力的基本概念和X射线应力测定的基本原理绍兴文理学院张定铨

从事X射线应力测定工作所需要的基础知识包括：（一）力学基础知识（二）金属材料基础知识（三）金属物理基础知识（四）工程实践知识

一、残余应力的基本概念１、定义内应力：没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。历史回顾 1860年Woehler 指出火车轴的断裂有内应力作用这个因素。 1925年Masing 首次提出将内应力分为三类。 1935年Давиденков依据各类内应力对晶体的X射线衍射现象具有不同的影响也将内应力分为三类。 1973年Macherauch 提出了新的内应力模型

Macherauch 的定义第一类内应力（）在较大的材料区域（很多个晶粒范围）内几乎是均匀的。与第I 类内应力相关的内力在横贯整个物体的每个截面上处于平衡。与相关的内力矩相对于每个轴同样抵消。当存在的物体的内力平衡和内力矩平衡遭到破坏时会产生宏观的尺寸变Ⅰr σⅠr σ Ⅰr σ

Macherauch 的定义 Ⅱr σ第二类内应力（）在材料的较小范围（一个晶粒或晶粒内的区域）内近乎均匀。与相联系的内力或内力矩在足够多的晶粒中是平衡的。当这种平衡遭到破坏时也会出现尺寸变化。 Ⅱ r σⅡ r σ

Macherauch 的定义第三类内应力（）在极小的材料区域（几个原子间距）内也是不均匀的。与相关的内力或内力矩在小范围（一个晶粒的足够大的部分）是平衡的。当这种平衡破坏时，不会产生尺寸的变化。 Ⅲr σ Ⅲ r σ

磨削温度对磨削效果的影响

磨削温度对磨削效果的影响磨削温度对磨削效果的影响大量的磨削热将会软化工件表面，使其塑性增加，有利于磨屑的形成。但对被磨工件表面质量、磨和机床等也有不利的影响。对工件的影响主要表现在工件表面质量和加工精度两方面。磨削的高温会使工件表面层金相组织发生变化。当磨削温度未超过工件的相变温度时，工件表面层的变化主要决定于金属塑性变形所产生的强化和因磨削热作用所产生的恢复这两个过程的综合作用，磨削温度可以促使工件表面层冷作硬化的恢复；如果磨削温度超过了工件金属的相变临界温度，则在金属塑性变形的同时，还可能产生金属组织的相变。磨削的瞬间温度过高而且集中在工件表面层的局部部位，将造成工件表面层金相组织的局部变化，这种变化叫磨削烧伤。烧伤现象将引起工件表面层机械性能下降，主要是降低工件硬度和耐磨性。磨削烧伤可分为两类：第一类是指工件磨削温度尚未达到工件材料的临界温度，仅仅使工件表面层产生回火现象，这时表面层金相组织出现回火层。第二类是指工件磨削温度超过工件材料的临界温度，在通过磨削区时由于急速冷却而产生二次淬火现象，此时表面层的金组织由回火层和二次淬火形成的索氏状、托氏体组成。更高的瞬时磨削温度在磨削过程和冷却过程中造成工件表面层与母体金属很大的温度差，形成很大的热应力。如果热应力超过材料的强度，就会使工件产生磨削裂纹，特别是在工件冷却过程中，如果表面层与母体金属有较大的温度差，那么表面层就会形成很大的拉应力，并保持位伸残余应力，甚至产生表面裂纹。裂纹的存在，哪怕是十分细小的微裂纹，也会极大地降低工件的疲劳强度，大大缩短工件的使用寿命。由以上所述可以看到，影响磨削烧伤的主要因素是磨削瞬间时的高低，而磨削裂纹和残余应力的起因则为被磨工件表面层的温度梯度，这一点在磨削那些导热系数的抗拉强度低的材料时更应特别注意。有时在磨削导热性差的材料时，为了减少温度梯度，可以用加热被磨工件的方法来降低磨削温度的梯度，防止产生磨削裂纹。磨削温度使砂轮中的磨粒在加工时反复承受磨削热所形成的温度应力，对磨粒的强度和耐磨性都有不利的影响。对树脂结合剂和橡胶结合剂来讲，过高的磨削温度会导致树脂和橡胶碳化，加速磨具的磨损。磨削温度还会引起磨削区内强烈的化学反应，致使磨粒很快磨损而失去切削的能力。高的磨削温度会使所用机床产生热变形，从而影响机床精度。

残余应力

残余应力定义构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。残余应力是一种固有应力。残余应力的测试仪器残余应力分析仪其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力。应力方程根据弹性力学理论, 在宏观各向同性晶体材料上角度υ和ψ（见图1）方向的应变可以用如下方程表述：

（图1）正应力和剪切应力应力分量συ和τυ为方向Sυ上正应力和剪切应力：含剪切应力的应力方程和曲线如果在垂直于试样表面上的平面上有剪应力存在（τ13≠0和/或 τ23≠0），则ευψ与sin2ψ的函数关系是一个椭圆曲线，在ψ> 0和ψ<0是图形显示为“ψ分叉”（见图3）。如果σ33不等于零, 则sin2ψ斜率与συ-σ33成正比。在这种情况下，方程（4a）变为：（图3）残余应力测量方法 1.[1]盲孔法残余应力测量

它的原理是在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。残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。 2.磁测法残余应力测量 HK21B型磁测法残余应力检测主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。残余应力测试步骤 [2]ASM3.0测残余应力的步骤如下： 1、将应变花按应变计粘贴通用方法准确粘贴在试样测量点上焊好测量导线。粘贴前试样表面应打磨，但在打磨时不能破坏原有残余应力场。 2、连接应变仪。将工作片和补偿片分别连接在应变仪的端口上（也可以用待测的应变花作为补偿片），检查各应变片电阻。 3、安装钻具：将带观察镜的钻具放在试样表面上，必要时开明灯，在观察镜里观察，初步对准应变花中心位置。然后在钻具支腿与试样接触处滴胶水，胶水固化后拧紧钻具支腿上的锁帽，将钻具固定于试样表面。再松开锁紧压调X 一Y 方向的四个调节螺钉3 （必须先松后紧），使观察镜的十字线中心在转动观观察时始终与应变花中心保持重合。最后，锁紧压盖，应变仪重新调零。 4、钻孔：取下观察镜，将专用端面铣刀的钻杆擦干净，滴上润滑油，（需用缝纫机油，不可使用一般机油），插入钻具的套筒内，用手轻轻转动，划去

CAESARII基础知识

CAESARII-管道应力分析软件（系列培训教材）管道应力分析基础知识北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司 2003年1月15日

管道应力分析基础知识 1．管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力问题。 2．管道应力分析的主要内容管道应力分析分为静力分析和动力分析。静力分析包括： 1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏； 3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏动力分析包括： l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值 3．管道上可能承受的荷载 1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； 2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； 3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支撑沉降等； 4）风荷载； 5）地震荷载；

6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击： 7）两相流脉动荷载； 8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； 9）机械振动荷载：如回转设备的振动。 4．管道应力分析的目的 1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值； 2）为了使与管系相连的设备的管道荷载在制造商或国际规范（如NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内； 3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载； 5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移； 6）为了优化管系设计。 5．管道柔性设计方法的确定一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。 1）与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及上的管线； 2）离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API 618）的3”及以上的进、出口管线：3）蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线； 4）泵（API 610——公称管径4”及以上且温度100度及以上或温度-20度及以下的吸入。排出管线； 5）空冷器（API 661——公称管径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线； 6）加热炉（API 560——与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线； 7）相当长的直管，如界区外的管廊上的管线； 8）法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。 9）公称管径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线；

残余应力的产生与消除

残余应力的产生、释放与测量一、残余应力的产生产生残余应力的原因归结为三类：一是不均匀的塑性变形;二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。根据产生残余应力机理的不同，可将其分为热应力和组织应力，车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。由于构件内、外部温度不均，引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的，淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。在相同冷却介质的情况下，淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大，均能导致淬火件内外温差增大，热应力越大。而加工过程中，由工件内外组织转变的时刻不同多引起的内应力成为“组织应力”。淬火时，表层材料先于内部开始马氏体的相变，并引起体积膨胀，由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制，于是在试样表层产生压应力，心部产生拉应力。随着冷却的进行，心部体积膨胀有收到表层的阻碍。随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大，在某个瞬间组织应力状态暂时为零后，式样的组织应力发生反向，最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。二、残余应力的释放针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对

其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。通常调整残余应力的方法有： ①自然时效把工件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。 ③振动时效振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后

流体力学基础知识

第一章流体力学基本知识学习本章的目的与意义:流体力学基础知识就是讲授建筑给排水的专业基础知识,只有掌握了该部分知识才能更好的理解建筑给排水课程中的相关内容。 §1-1 流体的主要物理性质 1．本节教学内容与要求: 1.1本节教学内容: 流体的4个主要物理性质。 1.2教学要求: （1）掌握并理解流体的几个主要物理性质（2）应用流体的几个物理性质解决工程实践中的一些问题。 1.3教学难点与重点: 难点:流体的粘滞性与粘滞力重点:牛顿运动定律的理解。 2.教学内容与知识要点: 2、1 易流动性 (1)基本概念:易流动性——流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形的性质称易流动性。流体也被认为就是只能抵抗压力而不能抵抗拉力。易流动性为流体区别与固体的特性 2.2密度与重度 (1)基本概念:密度——单位体积的质量,称为流体的密度即: M ρ = V M——流体的质量,kg ; V——流体的体积,m3。常温,一个标准大气压下Ρ水=1×103kg/ m3

Ρ水银=13、6×103kg/ m3 基本概念:重度:单位体积的重量,称为流体的重度。重度也称为容重。 G γ = V G——流体的重量,N ; V——流体的体积,m3。 ∵G=mg ∴γ=ρg 常温,一个标准大气压下γ水=9、8×103kg/ m3 γ水银=133、28×103kg/ m3 密度与重度随外界压强与温度的变化而变化液体的密度随压强与温度变化很小,可视为常数,而气体的密度随温度压强变化较大。 2、、3 粘滞性 (1)粘滞性的表象基本概念:流体在运动时抵抗剪切变形的性质称为粘滞性。当某一流层对相邻流层发生位移而引起体积变形时,在流体中产生的切力就就是这一性质的表现。为了说明粘滞性由流体在管道中的运动速度实验加以分析说明。用流速仪测出管道中某一断面的流速分布如图一所示设某一流层的速度为u,则与其相邻的流层为u+du,du为相邻流层的速度增值,设相邻流层的厚度为dy,则du/dy叫速度梯度。由于各流层之间的速度不同,相邻流层间有相对运动,便在接触面上产生一种相互作用的剪切力,这个力叫做流体的内摩擦力,或粘滞力。平板实验 (2)牛顿内摩擦定律基本概念:牛顿在平板实验的基础上于1867年在所著的《自然哲学的数学原理》中提出了流体内摩擦力的假说——牛顿内摩擦定律: 当切应力一定时,粘性越大,剪切变形的速度越小,所以粘性又可定义为流体阻抗

残余应力及如何测量

为什么会有残余应力金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力. 原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。通常用热处理、时效处理来消除残余应力。因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。所以会产生残余应力。组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。所以就回有残余应力。我们真正关心的是零件加工后的质量。由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。第三变形区内后刀面与已加工表面的挤压与摩擦又使表面金属产生残余压应力(里层金属产生残余拉应力)。如果第一变形区内应力造成的残余应

残余应力检测

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）一、前言（1）应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。（2）应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。（3）应力的产生在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变（4）应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。通常调整残余应力的方法有： ①自然时效把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力

管道柔性分析与应力计算

今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。我们作为管道工程师，配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。一般情况下，管道工程师在配管完成后，应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢？主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规的许用围，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。第二个原因是为了使管口荷载符合标准规的要求。第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动，安全阀的排放等等。最后一个原因是为了帮助配管优化设计。这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些容呢后面我们会作进一步学习。今天我们学习的容包括以下五个部分: 1.管道应力分析的相关理论和基础知识。我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。 2.管道应力分析的理解和工作任务。 3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。

4.管道的柔性设计。 5. CAESARⅡ管道应力计算程序。我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。应力分析的相关理论和基础知识涉及的容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元，弹塑性力学等等。今天我们只学习和它关系最为密切的一些容。如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用。这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。最大主应力理论指出材料发生断裂破坏时，其受力横截面上的最大主应力既是最危险的应力。第二种是最大变形理论。最大变形理论是指材料发生断裂破坏时，最大变形是受力横截面上最危险的情况。第三种是最大剪切应力理论。最大剪切应力理论是指材料的破坏或性能失效，仅取决于材料所受的最大剪切应力。第四种是变形能理论。变形能理论是指材料的破坏或性能失效，取决

焊接残余应力的消除方法

焊接残余应力的消除方法焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，其危害众所周知。当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，以提高焊件结构性能。一、焊接的应力与应变：在接过程中，由于焊接件产生温度梯度，接头组织和性能的不均匀，就会在焊件内产生应力和应变。焊后残留在焊件内的焊接应力就是焊接残余应力，它是没有外载荷作用时就存在的应力。二、焊接残余应力的危害：焊接残余应力与外载荷产生的应力叠加，局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹和变形，使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废甚至导致结构失效。三、减少焊接残余应力和变形的措施： ①设计 ②焊接工艺如：尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等四、焊后残余应力的消除方法消除焊接残余应力的方法有：热处理、锤击、振动法和预载法等。 1、热处理消除法焊后热处理是一种消除焊接残余应力常用的方法。工程上我们主要用退火处理，火温度越高、保温时间越长，消除焊接残余应力的效果就越好。但是温度过高，使工件表面氧化比较严重，组织可能发生转变，影响工件的使用性能，存在弊端。蠕变应力松弛理论为热处理消除焊接残余应力提供了另一条思路，工件在较低温度时会发生蠕变，材料内部的残余应力会因应力松弛而得到释放，只要保温时间

足够长，理论上残余应力可完全消除。在低温消除焊接残余应力时，材料的组织和性能变化甚微，几乎不影响材料的使用性能，而且低温处理材料表面的氧化和脱碳也比较小，这就可以在材料的力学性能和组织基本不变的情况下达到降低材料焊接残余应力的目的。 2、锤击消除法焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。锤击时要掌握好打击力量，保持均匀、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及时锤击，除打底层不宜采用锤击外，其余焊完每一层或每一道都要进行锤击。锤击铸铁时要避开石墨膨胀温度。 3、振动消除法振动消除法是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使焊接结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力的。如截面为30mm×50mm一侧堆焊的试件，经过σmax＝128N/mm2和σmin＝5.6N/mm2多次应力循环后，残余应力的变化情况。当变载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，焊接结构中的残余应力逐渐降低。这种方法所用的设备简单，处理成本低，时间比较短，没有高温回火给金属表面造成的氧化问题，目前在施工中广泛使用。 4、预载消除法残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到200℃，造成一个温度场,使焊缝区得到拉伸，以减小和消除焊接残余应力。焊接残余应力的消除和调整应采取合理的焊接顺序，先进的焊接工艺，焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，在焊接的每一个环节都减小残余应力，大大提高材料的使用寿命和性能，在工程施工上具有重要的意义。