应力集中的分析

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钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析

钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
钢管混凝土的基本原理是:(1)借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性;(2) 借助钢管对核心混凝土的套箍(约束)作用,使核心混凝土工作时处于三向受压 状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。所以,钢管混 凝土在本质上也就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土。由于利用 了钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用,即钢管的约束作用提
1.1.2 钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,是使其二者有机结合的 一种组合结构,其本质上属于箍套混凝土。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺 旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的,按截面形式的不同,可分为方钢管、 圆钢管和多边形钢管混凝土。在实际工程中,应用最广泛的是圆钢管混凝土,且 管内只浇灌素混凝土,不再配置钢筋 日
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(1)简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况, 提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题,并介绍了圣维南原理及其在钢管混 凝土中的应用;
(2)根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥—湖南益阳茅草街大桥,选取工程中 三类典型节点—DTY 型、XYT 型、DTDY 型管节点为研究为对象,基于 ANSYS, 建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型,分析和比较了它们的静力性能,讨论了 其应力变化情况;
(3) the analysis and calculation on variation of stress concentrate factor for both concrete-filled steel tubular and hollow steel tubular DTY joints, XYT joints, DTDY joints under the axial strength or axial and bending loadings together function in brace along with the variation of diameter of braces and the included angle of braces and chords the have carried out. The results show that the concrete-filled steel nodes are more obvious than the empty steel tube nodes on stress concentrate phenomenon and as well as nodes under the function of axial strength than axial and bending loadings together function in brace.

探究钣金件应力集中有限元分析与优化

探究钣金件应力集中有限元分析与优化

探究钣金件应力集中有限元分析与优化钣金件在制造过程中,通常会因为加工法或设计原因产生应力集中的问题,这会对钣金件的强度和耐久性造成威胁。

因此,有必要进行应力集中有限元分析与优化,以提高钣金件的质量和性能。

首先,我们需要了解应力集中产生的原因。

在制造过程中,钣金件的形状可能会由于某些原因而发生细微的变化或者毛刺或裂痕,这会导致应力集中,从而使材料的强度降低。

此外,钣金件的设计和生产也可能会影响应力分布。

因此,我们需要使用有限元分析的方法来确定应力集中的位置和原因,并找到优化方案。

接下来,我们将介绍有限元分析和优化的步骤。

1.建立有限元模型首先,我们需要建立一个准确的有限元模型。

这需要考虑到材料的力学性质、结构、工艺和耐久性等方面。

基于实际的设计和工艺数据,我们可以使用CAD软件来完成钣金件的几何建模,然后使用有限元软件将钣金件的几何结构转化为有限元模型。

在这个过程中,我们需要考虑到实际生产中可能出现的各种因素,如工艺缺陷、材料的弹性模量、屈服强度等,以便更准确地模拟实际情况。

2.应用负载接下来,我们需要对钣金件进行负载分析。

根据设计和使用场景,我们需要模拟所有可能的负载情况,如静载、动载、热载等。

这些负载都将被施加到有限元模型上,以模拟真实情况下的应力分布情况。

在进行负载分析时,我们需要确定钣金件的所有接触面和边界条件。

3.分析应力集中有限元分析软件将生成一个应力分布的图形,它将显示钣金件中存在的应力集中情况。

通过分析应力分布的图形,我们可以找到钣金件中存在应力集中的位置、原因以及程度。

4.优化设计当我们确定钣金件中的应力集中位置和原因时,我们可以开始考虑如何优化设计。

这可能包括改变钣金件的几何形状或材料,或者在关键位置处增加支撑或削减负载。

优化设计的目标是降低应力集中程度,提高钣金件的强度和耐久性。

5.验证模拟结果最后,我们需要验证模拟结果的准确性。

为了验证模拟结果的准确性,我们可以进行实验验证,以确保模型能够模拟真实情况下的应力集中情况。

基于深部煤体应力监测的采动应力集中区域范围分析研究

基于深部煤体应力监测的采动应力集中区域范围分析研究

基于深部煤体应力监测的采动应力集中区域范围分析研究目录一、内容概括 (2)1. 研究背景和意义 (3)1.1 煤炭行业现状及发展趋势 (4)1.2 深部煤体应力监测的重要性 (5)1.3 采动应力集中区域范围分析的意义 (6)2. 研究目的和任务 (8)2.1 研究目的 (8)2.2 研究任务 (9)3. 文献综述 (10)3.1 国内外研究现状 (11)3.2 研究领域存在的问题与挑战 (12)二、深部煤体应力监测技术 (14)1. 监测技术原理 (15)1.1 应力监测技术概述 (16)1.2 监测技术原理及工作流程 (17)2. 监测设备与方法 (19)2.1 监测设备介绍 (20)2.2 监测方法的选择与实施 (21)3. 监测数据处理与分析 (22)3.1 数据采集与传输 (24)3.2 数据处理与分析技术 (25)三、采动应力集中区域分析 (26)1. 采动应力的形成与分布 (28)1.1 采动应力的形成机制 (29)1.2 采动应力的分布特征 (30)2. 应力集中区域的识别与划分 (32)2.1 应力集中区域的识别方法 (33)2.2 应力集中区域的划分标准 (34)四、基于深部煤体应力监测的采动应力集中区域范围研究 (35)一、内容概括本研究旨在深入探讨深部煤层采动过程中应力集中区域的范围和特征。

随着现代矿井开采技术向更深部煤层延伸,高应力状态下的安全问题变得尤为关键。

以全面准确地监测和分析采动过程中煤体深部的应力分布为出发点,本研究采用先进的深部地质钻探技术及应力传感器等监测设备,对不同工作面的煤体深部进行详细的应力检测。

采用动态应力监测数据和煤层开采的历史数据,应用数值模拟和现场观测相结合的方法,分析了采动过程中采空区、采准巷道、煤壁等关键区域内的应力变化规律。

本研究结合地质力学原理和致裂理论,通过构建煤体应力分布的三维数值模型,细致模拟了不同开采条件下煤体应力分布形态,确定了应力集中区域的大致位置和大小。

缺口应力集中计算公式

缺口应力集中计算公式

缺口应力集中计算公式在工程设计中,缺口应力集中是一个重要的问题。

当材料中存在缺口或者孔洞时,会导致应力集中,从而影响材料的强度和稳定性。

因此,对于缺口应力集中的计算和分析是非常重要的。

本文将介绍缺口应力集中的计算公式,并探讨其在工程设计中的应用。

缺口应力集中计算公式是通过对缺口附近的应力场进行分析得到的。

在一般情况下,缺口会导致应力场发生变化,从而引起应力集中。

为了计算缺口应力集中,可以使用以下公式:1. Kt = σmax / σnominal。

其中,Kt表示应力集中系数,σmax表示缺口附近的最大应力,σnominal表示缺口附近的标称应力。

应力集中系数Kt的大小可以反映缺口对应力场的影响程度,当Kt越大时,说明缺口对应力场的影响越显著。

2. Kt = 1 + 2a / W。

其中,a表示缺口的半径或者长度,W表示缺口的宽度或者直径。

这个公式适用于一些特定形状的缺口,可以帮助工程师更准确地计算缺口应力集中。

3. Kt = 1 + 2a / (D d)。

其中,a表示缺口的半径或者长度,D表示缺口所在构件的直径或者宽度,d表示缺口的直径或者宽度。

这个公式适用于圆形或者方形的缺口,同样可以帮助工程师进行缺口应力集中的计算。

以上是常见的缺口应力集中计算公式,通过这些公式可以对缺口应力集中进行合理的估计和分析。

在工程设计中,对于可能存在缺口的构件,工程师需要根据具体情况选择合适的计算公式,并结合实际情况进行计算和分析。

同时,还需要考虑材料的特性、载荷情况、工作环境等因素,以确保构件的安全和可靠性。

缺口应力集中的计算公式在工程设计中具有重要的应用价值。

通过对缺口应力集中的计算和分析,可以帮助工程师评估构件的强度和稳定性,为设计合理的构件提供参考依据。

同时,也可以指导工程实践中的缺口处理和加强措施,以确保构件在使用过程中不会因为缺口而导致失效或者事故发生。

总之,缺口应力集中计算公式是工程设计中的重要工具,对于评估构件的强度和稳定性具有重要的作用。

偏心加载及应力集中分析实验

偏心加载及应力集中分析实验

实验名称:偏心加载及应力集中分析实验工程实际中偏心加载的情况很常见。

如果忽略偏心的作用可能对结构设计和使用带来很大的误差和危险。

本实验提供一种偏心加载的拉伸试件。

通过实验观察偏心载荷作用下被测截面的应力分布规律,分析其内力,计算偏心距。

实际零构件由于结构细节设计的需要,如钻螺栓孔、开键槽等,使零构件外形具有几何不连贯性。

它改变了零构件的应力和应变的分布,造成“所谓”的应力集中的现象。

本实验对应力集中的问题进行演示和分析。

一.实验目的1.认识偏心加载对杆件承载的影响及应力分布的特点;2.测定偏拉试件被测截面的应力分布,分析其内力分量;3.测定偏心距;4.测定材料的弹性模量;5.通过观察应力集中的现象,了解应力集中的特点和分布规律,了解缺口形式及尺寸对应力集中系数影响。

二.实验设备和试件1.WDW-100(WDW-100E)电子万能试验机2.YE2539高速静态应变仪3.偏拉试件(45号钢)图1 偏心拉伸试件三.实验方法本实验采用电测应变方法。

在偏拉试件中部被测截面布置了6枚电阻应变片(120Ω,灵敏系数2.08),如图1所示,正面3枚,两侧各粘贴一枚,反面中间一枚。

通过销钉连接方式将偏拉试件安装在电子万能试验机上。

加载测量各点应变。

实验方案参考如下:1、根据给出的被测材料的许可应力,计算实验允许的最大载荷Pmax。

在初载荷、末载荷(小于Pmax)之间,采用分级加载(至少5个点)的方法加载并记录不同载荷下的各点应变数据。

要求实验至少重复两次,如果数据稳定、重复性好即可。

2、选作:选取测点选用组桥方式直接测出与各内力有关的应变。

(不分级加载,只记初载荷和末载荷下的应变)实验注意事项:1.实验前要确定加载范围和加载方案,并经带课老师认可后再加载实验;2.只能在安装试件前将载荷显示清零;3.加卸载速度<2mm/min。

如采用手动采样方式,可使用较慢的速度连续加载不停机采集应变或提前降低速度到分级载荷采集应变、采样后再恢复一般加载速度。

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析压力容器在石油化工企业生产过程中是一种非常常见的设备,压力容器设备具有储存液体、气体的作用。

压力容器主要包括:储运容器、反应容器、热换器以及分离器。

压力容器接管区的主要目的是为了符合工艺需求,但是也造成接管区出现复杂的应力状态,通过对压力容器接管区应力进行对比和分析,在掌握压力容器的筒体、接管以及连接部位应力状况的基础上,对比压力容器接管区应力集中弹性塑形变化,并提出相关的解决措施,能够有效提高压力容器接管区的强度。

不断对压力容器进行改进,使压力容器的设计,制造,检验以及使用等环节都能得到充分保障,实现了压力容器的迅速发展。

标签:压力容器;应力集中;有限元分析压力容器是一种广泛应用于石油化工企业的常用设备,压力容器由于结构和工艺要求存在差异性,一般情况下需要进行开孔装接管。

但是压力容器在运行过程中具有突变的几何形,在接管区域往往会形成不连续的应力变化,导致接管区出现应力集中的情况,引起压力容器局部发生高应力现象,因此,需要利用有限元分析开孔接管区的应力集中变化,确保压力容器能够安全运行。

一般情况下,压力容器接管器具有复杂的应力状况,导致该现象的原因主要包括:第一,对压力容器进行开孔会对容器壳体造成破坏,缩小容器承载面积,导致压力容器边缘接管区域出现应力集中。

第二,压力容器接管区会出现断层性结构,接管区域和壳体在受到内压影响下会发生变形,在协调变形中会出现边缘应力,因此,需要利用有限元分析法进行压力容器应力集中计算。

1模型的有限元分析1.1几何模型机载荷在进行模拟过程中使用有限元模型主要是根据压力容器的结构特性和荷载特征。

但是在实际应用过程中,压力容器的结构特征和载荷特征为轴对称,因此在实验过程中,可以在对称面施加一定的对称约束力,并且在接管端不施加轴向移位约束,并对压力容器的筒体以及接管区域施加压力载荷,可以忽略重力及外压对计算结果的影响。

1.2网格划分基于仅是对于在内压作用下接管应力的研究,因此针对这些情况,可以实行结构对称性应用,利用有限元模型对接关系进行建模,接管除外伸长度与筒体长度都要比起边缘应力缩减长度要大。

开孔处应力集中系数的简化计算

开孔处应力集中系数的简化计算

开孔处应力集中系数的简化计算开孔处应力集中系数的简化计算1. 引言在工程设计和分析中,开孔处应力集中是一个常见的问题。

当在材料中添加孔洞或凹槽时,会导致应力场的非均匀分布,从而对材料的力学性能产生负面影响。

准确计算开孔处的应力集中系数对于工程设计和材料选择至关重要。

在本文中,我们将重点讨论开孔处应力集中系数的简化计算方法,以便工程师和研究人员能够更好地理解和应用这一概念。

2. 开孔处应力集中系数的定义开孔处应力集中系数(Stress Concentration Factor,简称SCF)是指材料在受力情况下,开孔处局部应力与远离开孔处应力的比值。

通常用K表示,其计算公式为K=σ_max/σ_nominal,其中σ_max为开孔处的最大应力,σ_nominal为远离开孔处的应力。

在工程设计中,SCF的值可以用来衡量材料在开孔处的应力集中程度,以及对其疲劳寿命和强度的影响。

3. 开孔处应力集中系数的简化计算方法在实际工程中,精确计算开孔处的应力集中系数可能非常复杂,因为需要考虑材料的几何形状、加载方式、以及材料的本构关系等多个因素。

然而,对于一些简单的几何形状和加载情况,我们可以采用一些简化的方法来估算开孔处应力集中系数。

3.1. Neuber's RuleNeuber's Rule是一种常用的简化计算方法,适用于圆形孔洞的应力集中系数估算。

根据Neuber's Rule,对于轴向受拉的材料,开孔处应力集中系数与远离开孔处应力之比可以近似为2。

这种简化计算方法在工程实践中得到了广泛的应用,尤其适用于轴向拉伸载荷作用下的材料。

3.2. Peterson's MethodPeterson's Method是另一种常用的简化计算方法,适用于不同几何形状和加载情况下的应力集中系数估算。

根据Peterson's Method,可以通过查表或计算公式来估算特定几何形状的开孔处应力集中系数。

有限元分析中应力集中的处理方法

有限元分析中应力集中的处理方法

有限元分析中应力集中的处理方法理论上可以证明,如果插值函数使用了“协调和完整的位移函数”,则当网格尺寸逐渐减小而单元数量增加时,解就会单调收敛。

而且,当单元数目增加时,得到的刚度会降低,并收敛于真实刚度;这就意味着,当单元增加时,得到的位移增加,而收敛于精确位移解。

其图形如下:这里所说的“协调和完整位移函数”,是指:1.近似函数式一般是多项式。

2.近似函数在单元内要保持连续。

3.近似函数应提供单元间的连续性,包括离散单元每一个节点所有自由度都应该是连续的,二维单元和三维单元沿着公共边界线和公共面必须是连续的。

既能够保证单元内的连续,又能够保证单元间的连续的形函数称为协调函数。

4.近似函数应考虑刚体位移和单元内的常应变状态。

即有常数项保证刚体运动(无应变的运动),而有一次项保证有常应变状态发生。

这是形函数的完整性问题。

例如,对于一维单元而言,若取形函数则同时满足上面四个条件,称为协调且完整的位移函数。

一般来说,我们所用的单元使用的位移函数都满足上述四个条件,所以从理论上来说,只要网格加密,就可以收敛于真实解。

为了验证上述理论的真实性,我们选用了一个材料力学中的例子来做仿真。

该例子如下使用材料力学的理论进行求解,简要过程如下使用ANSYS进行分析,使用BEAM188单元,首先创建如图所示的几何模型然后分别对各段直线加密网格划分,得到的结果如下上表中,第一列是划分的单元数,第二列是最大的压应力,第三列是最大的拉应力。

可以看到,随着单元数目的增加,最大拉伸,压缩应力的绝对值都在增加。

从材料力学得到的精确解,最大的压应力是-46.2MPa, 最大的拉应力是28. 8MPa。

这样,当单元数增加到64个时,压应力的误差是(46.2-45.7)/46.2 = 1.1%; 拉应力的精度是(28.8-28.6)/28.8=0.7%.此时精度已经相当高了。

可以明显的看出,随着单元数目的增加,应力解的确是在逐渐逼近真实解。

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1.应力集中的现象及概念材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。

通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏就可能发生。

另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这种现象称为应力集中。

对于组织均匀的脆性材料,应力集中将大大降低构件的强度,这在构件的设计时应特别注意。

承受轴向拉伸、压缩的构件,只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无急剧变化的区域内,横截面上的应力才是均匀分布的。

然而工程中由于实际需要,某些零件常有切口、切槽、螺纹等,因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变,这时,横截面上的应力不再均匀分布,这已为理论和试验所证实。

如图 2-31[a] 所示的带圆孔的板条,使其承受轴向拉伸。

由试验结果可知 : 在圆孔附近的局部区域内,应力急剧增大,而在离开这一区域稍远处,应力迅速减小而趋于均匀( 图 2 — 31[b]) 。

这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。

在 I — I 截面上,孔边最大应力与同一截面上的平均应力之比,用表示称为理论应力集中系数,它反映了应力集中的程度,是一个大于 1 的系数。

而且试验结果还表明 : 截面尺寸改变愈剧烈,应力集中系数就愈大。

因此,零件上应尽量避免带尖角的孔或槽,在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。

在静荷作用下,各种材料对应力集中的敏感程度是不相同的。

像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段,当孔边附近的最大应力达到屈服极限时,该处材料首先屈服,应力暂时不再增大。

如外力继续增加,增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担,使截面上其它点的应力相继增大到屈服极限,该截面上的应力逐渐趋于平均,如图2-32 所示。

因此,用塑性材料制作的零件,在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。

而对于组织均匀的脆性材料,因材料不存在屈服,当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时,该处首先断裂。

因此用脆性材料制作的零件,应力集中将大大降低构件的强度,其危害是严重的。

这样,即使在静载荷作用下一般也应考虑应力集中对材料承载能力的影响。

然而,对于组织不均匀的脆性材料,如铸铁,其内部组织的不均匀性和缺陷,往往是产生应力集中的主要因素,而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了,它对构件承载能力不一定会造成明显的影响。

要想搞明白这个问题,我想先要搞明白什么是荷载力、什么是应力?简单地来说荷载力来源于动力源作用于工作终端,其力的大小为工作终端负荷加传动损耗,而应力则是由材料内部的分子发生错位(部分分子受拉力或热力作用其分子链被拉长、而有些分子则受压缩力或冷凝力的作用其分子被压缩,同时这两种变形的分子又相互作用在其过渡区域就会受两种作用力的影响,分子链也会受到破坏产生裂纹)而产生的作用力。

人们在生产实践中发现材料在受力情况下都会发生变形,其变形量与受力的大小及受力的区城大小有关,卸载后的剩余应力与局剖的变形量成正比,对台阶轴而言若不加任何措施、由于作用区域小其作用力仅在轴的圆周面上产生作用,轴芯部分并不受力,这种现象本人称它为集肤效应。

因此此时的轴肩处的圆周面受到剪切变形,分子链相继受到破坏并向轴芯延伸最终导至轴颈断裂。

若在轴肩处采用圆弧过度等措施,相对来说增加了作用区域(两作用力之间的距离增加,材料所允许的扭转角度就变大,随着轴的扭转角度的增加使得轴芯部分有更多的分子链来参加传递动力,这样每个分子链的负荷也就变小很多,轴的寿命也得以延长,值得注意的是这并不意味着此轴可永久使用,因为材料在受力的情况下都会受损,只不过程度不同,程度大的寿命短、程度小的寿命长,这也就是人们常说的疲劳寿命。

现在再来解释过盈配合为什么在边缘处产生应力集中?因为是过盈,所以内外圈在接触表面都要产生变形,而不接触的其它表面不会变形。

这样接触面区域是压应力,而在接触边缘处轴的材料必然出现拉应力以阻止轮毂边缘和接触区外的材料进一步变形。

但配合面的母线是直线,在外力作用下必然要产生相同的变形量,为了协调,在接触边缘处的材料只有增大压缩变形量才能保持直线,因而这时边缘处的应力必然要比中间接触区域的应力高,也就是所谓的应力集中。

实际上最根本的原因还是轮毂是有限长度,端面与内孔互相垂直,因而接触母线不连续。

如果轴与轮毂是绝对等长的,那就不会出现应力奇异了。

因此,在实际加工中,有经验的师傅往往将内孔加工为喇叭口,以此来减轻边缘的变形量,道理就在于此高速钢刀具淬火裂纹的原因分析及预防措施2009-08-03 16:16高速钢属莱氏体钢,含有大量合金元素,冶炼后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物(约占成分总量的18%~22%),这对高速钢刀具的淬火质量及使用寿命有很大影响。

高速钢淬火温度接近熔点,淬火后组织中仍有25%~35%的残余奥氏体,致使高速钢刀具容易产生裂纹和腐蚀。

下面分析影响高速钢刀具淬火裂纹和腐蚀的原因,并提出相应预防措施。

1 高速钢原材料的冶金缺陷高速钢中所含大量碳化物硬而脆,为脆性相。

一次共晶碳化物呈粗大骨骼状(或树枝状)分布于钢基体内。

钢锭经开坯压延和轧制后,合金碳化物虽有一定程度的破碎和细化,但碳化物偏析依然存在,并沿轧制方向呈带状、全网状、半网状或堆积状分布。

碳化物不均匀度随原材料直径或厚度的增加而增加。

共晶碳化物相当稳定,常规热处理很难消除,可导致应力集中而成为淬火裂纹源。

钢中硫、磷等杂质偏析或超标也是导致淬裂的重要原因。

高速钢的导热性和热塑性差、变形抗力大,热加工时易导致金属表层和内层形成微裂纹,最终在淬火时因裂纹扩展而导致材料报废。

大型钢锭在冶炼、轧制或锻造等热加工过程中形成的宏观冶金缺陷如疏松、缩孔、气泡、偏析、白点、树枝状结晶、粗晶、夹杂、内裂、发纹、大颗粒碳化物及非金属夹渣等均易导致淬火时应力集中,当应力大于材料强度极限时便会产生淬火裂纹。

预防措施为:①选用小钢锭开坯轧制各种规格的刀具原材料;②选用二次精炼电渣重熔钢锭,它具有纯度高、杂质少、晶粒细、碳化物小、组织均匀、无宏观冶金缺陷等优点;③对不合格原材料进行改锻,击碎材料中的共晶碳化物,使共晶碳化物不均匀度≤3级;④采取高温分级淬火、再高温回火的预处理工艺,通过精确控温等措施,可有效避免高速钢原材料冶金缺陷引起的淬火裂纹。

2 高速钢过热、过烧组织高速钢过热、过烧组织的特点为晶粒显著粗化,合金碳化物出现粘连、角状、拖尾状及沿晶界呈全网状、半网状或连续网状分布;钢组织内部局部熔化出现黑色组织或共晶莱氏体,形成过烧组织,显著降低晶间结合力和钢的强韧性。

引起高速钢过热、过烧组织的主要原因有:淬火加热温度过高,测温和控温仪表失准;盐浴炉淬火加热时,因盐浴表面烟雾导致辐射高温计测温出现误差;变压配电盘磁力开关失灵;刀具加热时离电极太近或埋入炉底沉积物中;原材料存在大量角状碳化物或碳化物不均匀度等级太高等。

高速钢过热、过烧组织极易导致淬火裂纹。

预防措施为:①严格控制原材料质量,共晶碳化物级别应≤3~3.5级;②原材料入库和投产前应作金相检查,确保无宏观冶金缺陷;③刀具淬火加热前用试片校验高温盐浴炉,检查晶粒等级与淬火加热温度的关系是否合理(参见下表);④采用微机控温与测温,测温精度达到±1.5℃。

共晶碳化物不均匀度等级出现过热(晶粒度8#)的淬火温度(±5℃)≤3 1260℃3.5 1250℃4.5 1245℃7.5 1240℃8.5 1230℃3 萘状断口萘状断口是高速钢常见的组织缺陷,断口呈鱼鳞状,类似大理石,具有萘的光泽,断口极粗糙,晶粒粗大(可达1mm)。

由于材料脆性大,强韧性低,高温奥氏体化淬火时容易形成淬火裂纹。

在热锻、轧制、压延等热加工时,经1050~1100℃高温奥氏体化,热塑性变形在5%~10%临界变形、精锻温度不当及重复淬火时未经中间退火(或退火不充分)等因素均易形成萘状断口,导致淬火裂纹。

预防措施为:①合理选择精锻温度,严格控制终锻温度(≤1000℃),锻后缓冷;②锻坯淬火前应充分退火;③避免在5%~10%临界变形;④进行超晶粒细化处理等。

采取以上措施可有效抑制高速钢萘状断口的形成,避免产生淬火裂纹。

4 机械设计与冷加工不当引起应力集中刀具厚薄不均、因棱角、锐边、尖角、沟槽、孔、凸台等形状突变而产生缺口效应以及冷加工表面粗糙、刀纹较深、存在碰伤及打标记等均可导致高速钢刀具淬火时应力集中,从而诱发淬火裂纹。

如刀具淬火前存在较大冷加工内应力(尤其是磨削内应力)未予消除,在淬火加热和冷却时将形成多种应力叠加,当叠加应力超过材料强度极限时,将产生淬火裂纹和畸变。

预防措施为:①改进刀具设计,使刀具形状合理、厚薄均匀。

厚处可开工艺孔,薄处可增加肋条,变形悬殊处可制成斜坡;②将刀具的棱角、直角、尖角倒圆,孔口处倒角;③冷加工表面光洁度应达到设计要求,防止产生粗大刀纹,用万能笔书写标记;④淬火前通过退火消除冷加工内应力;⑤采用热浴分级淬火、等温淬火等工艺减少组织应力和热应力,避免应力集中。

5 淬火内应力与淬火冷却介质高速钢的组织应力、热应力和附加应力均为淬火内应力。

对高速钢进行高温奥氏体化淬火时,过冷奥氏体转变为淬火马氏体,由于前者比容小,后者比容大,钢从收缩状态逆转为膨胀状态,金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力为组织应力。

大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度不一致形成温度差,导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力为热应力。

刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形不一致形成的内应力为附加应力。

当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时,则形成淬火裂纹。

当淬火冷却介质冷速过大,超过该钢种的临界淬火冷速时,则易形成较大的淬火内应力,导致刀具淬裂。

当淬火冷却介质冷速过小,小于该钢种临界淬火冷速时,则得不到所需组织性能。

获得淬火马氏体转变的最小冷却速度为临界淬火冷却速度。

高速钢淬透性极佳,中小型刀具空冷即可淬硬。

但用硝盐进行等温淬火时,如硝盐含水过量,可能造成淬火冷却速度过大,或当刀具淬火未冷至室温即转入水中清洗,可使大量过冷残余奥氏体在水中高冷速下转变为淬火马氏体,从而产生大的淬火内应力,导致刀具淬裂。

预防措施为:①选用在钢的C曲线拐点处(鼻部)快冷、在鼻部Ms点以下缓冷的淬火介质(如氯化钙饱和水溶液、C?-1有机淬火剂、聚乙烯醇水溶液、高锰酸钾淬火液等)作为理想淬火冷却介质;②采用热浴(硝盐浴、碱浴等)分级淬火、等温淬火以及淬火前预处理等措施,细化组织,消除冷、热加工应力,可有效预防和避免淬裂和刀具淬火畸变。

6 氢脆高速钢刀具酸洗、电镀时侵入钢中的初生态氢(H)原子转变为氢分子(H2)时将发生膨胀,产生巨大压力,导致在钢的晶界上发生龟裂,称为氢脆。

酸洗是金属氧化物与酸的化学反应,它使金属氧化物变为可溶性盐而脱离金属表层。

淬火高速钢有强烈的酸洗氢脆龟裂倾向。

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