影响表面残余应力的主要因素
CAE知识点总结
CAE知识点总结1.CAE作用：在模具加工前，在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。
(或者是它能够在产品设计阶段及开模之初，利用计算机对整个成型过程进行分析拟准确预测模具可能出现的问题，并能够为设计者提供可靠地解决方案。
)2.CAE的基本流程：前处理——分析计算——后处理注塑成型CAE的作用：优化塑料制品设计、优化塑料模具设计、优化注射工艺参数。
热注塑成型过程：把塑料原料加入注射机料筒中，经过螺杆的旋转使塑料向前输送，同时机筒加热使其溶化成熔体，储存在注射机筒前端，当螺杆作为加压工具快速向前推进时，塑料熔体已告压通过喷嘴注入磨具型腔中经过冷却、凝固后从磨具中脱出，成为塑料制品。
热注塑成型过称分为以下阶段：（1）塑化阶段（2）注射充模阶段（3）冷却凝固阶段（4）脱模阶段3.注塑成型工艺参数：（1）温度：机筒温度、喷嘴温度、模具温度；（2）压力：塑化压力、注射压力、保压压力；（3）时间（成型周期）：注射充模时间、保压时间、冷却时间、预塑时间以及其他辅助时间（开模、脱模、嵌件安放、闭模）。
4.一般CAE软件的结构，分为几个模块？前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。
有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。
大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。
一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。
后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。
机械制造工艺学 第四节 机械加工表面质量
2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响
砂轮的粒度
磨粒间的距离
磨粒的大小
砂轮的粒度号越大， 磨粒和磨粒间离越小
砂轮的粒度号↑ ，参与磨削的磨粒↑ ，粗糙度↓ ；
修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大； 纵向进给量↓ ，砂轮表面的等高性越好 ，粗糙度 ↓ ；
（2）金属表面层的塑性变形 在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋 利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用而使表 面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表 面粗糙度值。
表面层的加工硬化对疲劳强度影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于 提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度 应控制在一定范围内。
拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；
3．表面质量对零件耐腐蚀性的影响 表面粗糙 表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质； 度的影响 波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响
（二）、表面层的残余应力 l、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与
基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。
表面层残余应 力产生的原因
(1)冷态塑性变形引起的残余应力 (2)热态塑性变形引起的残余应力 (3)金相组织变化引起的残余应力
(1)冷态塑性变形引起的残余应力
其中： H——加工后表面层的显微硬度
H0——材料原有的显微硬度
(2)表面层金相组织变化
指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织 发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面 层的物理机械性能。 (3)表面层产生残余应力 指的是加工中，由于切削变形 和切削热的作用，工件表层及其基 体材料的交界处产生相互平衡的弹 性应力的现象。残余应力超过材料
机械加工表面质量
2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向 (4)伤痕——表面上一些个别位置 上出现的缺陷
(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。
(3)表面层产生残余应力。
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
影响表层残余应力的因素
三、表层金属的残余应力——拉应力或者压应力
（一）残余应力产生的原因 1）冷塑性变形——使表层产生压缩残余应力，里层产生拉伸 残余应力。
原因：加工表面受刀具或砂轮磨粒的挤压和摩擦，产生拉伸塑性变形 ，此 时里层金属处于弹性变形状态，切削后里层金属趋于弹性恢复，但受 到已产生塑性变形的表层金属牵制
第三章 机械加工表面质量
本章学习主要要解决的问题 1. 机械加工表面质量的含义 2. 为什么要控制机械加工表面质量? 3. 哪些因素会影响表面质量? 4. 怎样提高表面质量?
第三章 机械加工表面质量
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
一、机械加工表面质量的含义
1．表面的几何特征
2）热塑性变形——表层产生拉伸残余应力，里层产生压缩残 余应力。
原因：切削和磨削过程中，表层的温度比里层高，表层的热膨胀较大；加 工后零件冷却至室温时，表层金属体积的收缩受到里层的牵制。
影响表层残余应力的因素
3）相变引起的体积变化 金相组织的变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生 压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力； 金相组织的变化引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉 伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力 。
• 提高砂轮速度，降低工件转速，减小纵向进给速度——增大单位面 积的磨粒数
金属加工表面质量的影响因素及改进措施
金属加工表面质量的影响因素及改进措施1.表面质量的含义任何机械加工的表面，不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状误差。
表面材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会使原有的物理一机械性能发生变化。
表面质量包括：（1）加工表面粗糙度。
是指加工表面的较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。
（2）表面层的物理——机械性能变化。
物理一机械性能变化主要有以下三个方面的内容：①表面层的冷作硬化。
在机械加工过程中，工件表面层金属产生了强烈的塑性变化，使表层的强度和硬度都有所提高，称表面冷作硬化。
②表面层残余应力。
在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，在加工表面会产生残余应力，如果残余应力超过材料的屈服强度，就会产生表面裂纹，表面的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。
③表面层金相的变化。
工件表面经磨削精加工时，磨削产生的高温，会烧坏工作表面，使淬火钢件表面退火，引起表层金属发生相变，将大大降低表面层的物理一机械性能。
2.机械加工表面质量对机器使用性能的影响2.1 对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件表面磨损的影响。
表面粗糙度值愈小，其耐磨损性愈好。
但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。
（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响。
加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。
但过分的冷作硬化将引起金属过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。
2.2 对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏，往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。
（1）表面粗糙度对疲劳强度的影响。
在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。
表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。
（2 ）残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响。
表面层残余拉应力，将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力，能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生：表面冷硬化一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。
残余应力的稳定性
残余应力的稳定性（热松弛）机件中各部位的残余应力一般不是一个固定值，在各种外界因素的作用下将发生变化，这就是残余应力的稳定性问题，又称为残余应力松弛或衰减。
残余应力的稳定性与材料内部储备的弹性应变能有关。
不论宏观残余应力或微观残余应变的大小都可以看作系统偏离低能量稳定态的程度。
热力学上高能量的组织状态在合适的条件下总将趋向于低能量的平衡态，这就是残余应力松弛的内在驱动力。
影响这个驱动力大小的因素有材料种类及状态，工件几何尺寸、产生残余应力的工艺过程和残余应力状态本身（如：数值大小与分布等）。
促使残余应力松弛的外界因素主要是温度和载荷（包括静载荷和动载荷）。
它们可以单独影响，也可综合在一起共同影响。
残余应力松弛的实质是保存在材料中的弹性应变能通过微观或局部塑性变形逐渐释放的过程，也即与位错运动有关。
位错运动可使与残余应力相关的弹性变形，部分（或全部）转变为塑性变形。
所以残余应力松弛过程是与材料内部微观结构的变化密切相关的。
研究残余应力松弛的特别是时效性的松弛耗时耗日，国内外系统性的研究成果不过。
下面分别从加热、静载及交变载荷等因素对残余应力松弛的影响来加以讨论。
1、残余应力的热松弛一般认为，在无外载荷的条件下室温长期保存后机件的残余应力基本上没有变化。
作为间接证据，有人把有缺口，经滚压后表面存在-500~~-600MPa残余应力的试样在实验室条件下保存10年，期间每年做一次弯曲疲劳试验，发现疲劳极限实际上不变。
若对残余应力的试样进行加热，残余应力将随温度的升高而不断降低，图1-12是我们在不同含碳量的碳钢的圆柱形（直径24×80mm）试样上测得的淬盐水后试样的表面残余应力随回火温度的变化趋势。
由图可见，回火温度超过500℃，各种碳钢的淬火残余应力基本上接近于零。
显然，当金属材料加热温度超过其再结晶温度时，由于再结晶是经扩散后的晶粒重组，故使残余应力完全松弛。
因此有关残余应力热松弛的研究重点是在不太高的加热温度时所发生的情况。
残余应力
残余应力不可能完全消除。例如对于一些铸造机床的 床身，要想自然消除残余应力，需要很长的时间，但是仍 然不能完全消除。特别是对于一些大型的焊接件，例如桥 梁，船舶，更没有办法通过热处理来消除残余应力，但是 这些构件对于安全性要求有很高，因此有必要对残余应力 进行研究。
1.2 残余应力的测量方法
残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏 无损伤测量法两种。机械释放测量法，是将具有残余应力 的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，然后测量其 应变的变化求出残余应力。它主要包括盲孔法、切条法、 逐层去层法等。其特点是测量的精度较高，但对构件的损 伤较大。非破坏性方法，包括X射线衍射法、中子衍射法、 磁性法、超声波法等。其特点是对被测构件无损害，但成 本较高。 其中以盲孔法发展较为成熟，近年来科学工作者对其 做了大量的工作，从测量原理到实际操作中的各种工艺因 素、误差来源等进行了深入的研究，使其日趋完善，目前 已成为工程上最通用的残余应力测量方法。
1
co s 2 sin 2 B
(f)
由（d）式可以得到
1 2 ( ) 2 2A 1
1
(g )
联立（f）和（g）式，得
1 1 2 ( ) 1 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2 1 1 1 2 ( ) 2 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2
2 .1 .5 b
式中A、B成为应变释放系数。释放应变表达式（2.1.5a） 式可以写成
r A ( ) B ( ) co s 2
1 2 1 2
(2 .1 .6)
1 2
对图2.1.2所示的残余应变计， , 则三个敏感栅方向的释放应变分别为
拉拔制品中的残余应力
5.4.2
• 5.4.2.1
拉拔管材中的残余应力
空拉管材 1 空拔过程中金属流动是不均匀的，会产生不均匀变形。 原因如下：1 原因如下：1） 钢管本身的几何因素； 2） 模具形状和外摩擦因素。 2 空拔管内的残余应力 空拔时，外层金属的自然延伸和轴向流动速度小于内层，但由于受整体 性的制约，在轴向，外层产生附加拉应力，内层产生附加压力；由于 外层金属同时力图减少厚度缩小直径，内层金属力图增加厚度增大直 径，因此，在周向，外层产生附拉力，内层产生附加压力，在径向， 外层和内层都产生附加压力。另外，由于后接触变形过程的存在，在 轴向和周向，外层和内层也会分别产生附加拉力和附加压力。
由于外层金属同时力图减少厚度缩小直径内层金属力图增加厚度增大直外层金属同时力图减少厚度缩小直径内层金属力图增加厚度增大直径因此在周向外层产生附拉力内层产生附加压力在径向径因此在周向外层产生附拉力内层产生附加压力在径向外层和内层都产生附加压力
5.4
• 5.4.1
拉拔制品中的残余应力
拉拔棒材中的 残余应力分布影响空拔管外表层轴向和周向拉伸残余应力大小的主要原因有直径压 缩率、钢的力学性能、钢管的壁厚等。
5.4.2.2 衬拉管材 衬拉管材时，管子的内表面和外表面的变形量是不 同的，计算公式如下： ∆ = ( d − d − D − D )100%
0 1 0 1
d0
D0
D1 d 为拉拔前外径与内径（mm）； d 式中：D0、 0 为拉拔前外径与内径（mm）； 、 1 为拉拔后管外径和内径（mm）。 为拉拔后管外径和内径（mm）。
根据实验得知，变形差值 ∆ 越大，则周向残余应 力也越大。衬拉时有直径减缩，还有管壁的压缩变 形，因此变形差值 ∆ 越小，继而管子外表面产生的 周向残余拉应力也越小。
焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结
焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。
因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。
本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用关键词：焊接应力产生原因控制方法焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。
因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。
下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。
一、焊接残余应力的产生1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。
2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。
3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。
反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。
但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。
所以，应力和变形要合理控制好。
4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产生较大的影响。
二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响1、对焊件结构刚度产生的影响当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。
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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。