水工金屬結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力及時(shí)效方法

陳 浩

（廣東水電二局股份有限公司， 廣東 廣州 511340）

隨著我們國家社會(huì)建設(shè)的日益繁榮，其在很大程度上促使著我們國家的金屬結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展，但與此同時(shí)在諸多社會(huì)科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)作用下，人們對于生活中所使用的金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量也有了更高的期望值，因此面對當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展背景，就需要及時(shí)與水工金屬等結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)進(jìn)行良好改進(jìn)。在對水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工的過程中，由于受到多方面的因素影響，其金屬材料在加工制造的過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力過大時(shí)就會(huì)達(dá)到金屬材料的屈服極限附近，從而會(huì)對金屬結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生系列危害作用。與此同時(shí)，在我們國家目前應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)的過程中，其主體結(jié)構(gòu)多采用焊接結(jié)構(gòu)，所以為了能夠從基礎(chǔ)層面提升我們國家對于水工金屬等的應(yīng)用，就需要對焊接殘余應(yīng)力以及時(shí)效方法進(jìn)行深入研究。

1 水工金屬結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力概述

通俗來講，殘余應(yīng)力又可以稱之為內(nèi)應(yīng)力，并且所有的物體 在沒有外力作用的條件下，其內(nèi)部一般均存在不同程度的、用以保持自身平衡的應(yīng)力，將其稱之為殘余應(yīng)力。并且由于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有所不同，可以將其分為三類：即宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力、超微觀應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）等。首先對于宏觀應(yīng)力來說，其一般存在于金屬結(jié)構(gòu)的較大區(qū)域內(nèi)，并且該應(yīng)力的產(chǎn)生一般是由于金屬結(jié)構(gòu)本身在宏觀變形條件下所產(chǎn)生的，并且在金屬結(jié)構(gòu)的很多截面均存在保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。其次，與宏觀應(yīng)力相對應(yīng)的就是微觀應(yīng)力，它一般存在的區(qū)域相對比較小，例如一個(gè)晶?；蛘呔Я?nèi)部等大小的區(qū)域空間之內(nèi)，并且該應(yīng)力一般是由晶?；蛘邅喚ЯＶg存在變形所引起的。最后，對于超微觀應(yīng)力來講，其應(yīng)力存在的區(qū)域?qū)?huì)更局部，一般會(huì)有幾十到幾百納米等一些極小的空間范圍內(nèi)，該種應(yīng)力的產(chǎn)生通常情況是由于金屬結(jié)構(gòu)在塑性變形加工過程中所形成的大量點(diǎn)陣缺陷所導(dǎo)致的。

在對殘余應(yīng)力的類別進(jìn)行分析論證之后，可以很容易發(fā)現(xiàn)，其金屬結(jié)構(gòu)在加工改進(jìn)的過程中之所以會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其在很大程度上均是由于不均勻的受力或者不均勻的溫度變化、相變等所引起的。例如在對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過程中，由于焊接溫度急劇變化，就會(huì)造成金屬結(jié)構(gòu)從彈性狀態(tài)急劇向塑性狀態(tài)變化、一直等到液態(tài)，再過一段時(shí)間之后經(jīng)過冷卻處理恢復(fù)至彈性狀態(tài)。在此整個(gè)過程中，由于焊接溫度的劇烈作用，就會(huì)很容易引起不均勻的收縮拉伸變形，最終產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的危害作用分析

2.1 不同內(nèi)應(yīng)力的作用

在宏觀應(yīng)力以及微觀應(yīng)力當(dāng)中，雖然這兩種殘余應(yīng)力在實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)加工處理的過程中不容易出現(xiàn)，但是這兩者內(nèi)應(yīng)力的存在均會(huì)不同程度的造成金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的危害，并且在之后的塑性變形等過程中國也會(huì)產(chǎn)生制約作用。對于超微觀應(yīng)力來說，由于其產(chǎn)生的機(jī)理，其在金屬結(jié)構(gòu)加工過程中很容易出現(xiàn)，但是該超微觀應(yīng)力的存在，能夠在一定程度上增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，例如在實(shí)際加工過程中可以用于提升金屬強(qiáng)度、硬度以及耐磨性等。

2.2 應(yīng)力腐蝕

對于水工金屬結(jié)構(gòu)來說，其實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境一般多在水或者潮濕空氣等中，所以就會(huì)很容易引發(fā)殘余應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象。所謂的應(yīng)力腐蝕，就是指金屬在拉伸應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)的聯(lián)合作用下并按持有機(jī)理產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象，稱之為應(yīng)力腐蝕。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的作用機(jī)理可以總結(jié)為：當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)在拉伸應(yīng)力以及特定腐蝕介質(zhì)兩者的聯(lián)合作用下，其被加工的金屬由于其表面由于拉應(yīng)力的存在而加速腐蝕，隨后就會(huì)造成晶粒之間的裂紋，并且這些裂紋在進(jìn)一步拉伸應(yīng)力的作用下，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

2.3 脆性斷裂

在金屬加工的過程中，由于受到殘余應(yīng)力的影響，其金屬結(jié)構(gòu)就會(huì)很容易產(chǎn)生脆性斷裂現(xiàn)象，雖然發(fā)生脆性斷裂的幾率比較小，但是由于該危害所產(chǎn)生的后果是比較重大的，因此在金屬結(jié)構(gòu)工程中不得不對其進(jìn)行有效防止。該脆性斷裂的作用機(jī)理為：金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于受到一個(gè)很小的外界能量之后所引起的金屬裂紋快速擴(kuò)展的過程。在實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)加工項(xiàng)目過程中，為了有效防止脆性斷裂的發(fā)生，通常情況下就需要對其采用專門設(shè)計(jì)的構(gòu)造細(xì)部以及足夠堅(jiān)韌的鋼型。

2.4 內(nèi)應(yīng)力疲勞影響

在目前大量投入使用的水工金屬結(jié)構(gòu)中，從鋼材本身而言，其所有的鋼材設(shè)計(jì)均是符合彈性設(shè)計(jì)的，但是在應(yīng)用或者進(jìn)行焊接等過程中，由于受到結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力、自身重力以及外載荷應(yīng)力等多方面因素的影響作用下，就會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)疲勞抗力的降低。與此同時(shí)，在大量的焊接研究中，均一致表明焊接結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力的降低是由于焊接缺陷、應(yīng)力集中以及顯微組織粗化等所引起的。

3 時(shí)效方法

3.1 鋼的時(shí)效

在對鋼材工藝以及加工技術(shù)進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上，假設(shè)在鋼材工藝靜力拉力試驗(yàn)的過程中，當(dāng)保持加載比率不變并且試驗(yàn)緩慢進(jìn)行時(shí)，則在間歇足夠長的時(shí)間后重新加載，鋼材的屈服應(yīng)力就相對應(yīng)的獲得提升、韌性降低、拉力強(qiáng)度也將會(huì)提升。

3.2 自然時(shí)效

自然時(shí)效，顧名思義就是利用自然中的相關(guān)因素方法對其進(jìn)行一定的優(yōu)化改善。其主要的作用原理就在于，當(dāng)把金屬構(gòu)件放置在露天的室外條件下時(shí)，由于會(huì)受到風(fēng)吹、雨淋以及溫度變化等多方面的影響，隨著時(shí)間的推移，就會(huì)使得該金屬構(gòu)件本身造成反復(fù)的溫度應(yīng)力，最終就會(huì)使得其在溫度應(yīng)力形成的過載下，促使參與應(yīng)力發(fā)生松弛而使得尺寸精度獲得穩(wěn)定性。

3.3 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效是錘擊松弛法” ( 敲擊時(shí)效) 的發(fā)展，錘擊松弛法,可用木錘、橡皮錘、紫銅錘等，敲構(gòu)件的合適部位，激起構(gòu)件共振，即給工件一個(gè)沖擊力, 激起工件的響應(yīng)，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的振幅作減幅振動(dòng)。敲擊后，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)引起的響應(yīng)振動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加而超過材料的屈服極限，引起局部塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值降低而松弛。振動(dòng)時(shí)效是采用外力振動(dòng)的方式，利用共振原理使工件內(nèi)部產(chǎn)生一定周期性變作用力，作用力和工件本身殘余應(yīng)力疊加，超過工件的微觀屈服極限便導(dǎo)致工件發(fā)生微觀的塑性力學(xué)變化，從而達(dá)到完美的殘余應(yīng)力，使工件內(nèi)部各方面作用的力基本趨于平衡，防止工件變形，提高工件疲勞極限。具有高效節(jié)能，不受場地限制、操作簡便等特點(diǎn)。錘擊松弛法，即通過大振幅多次反復(fù)作用并持續(xù)振動(dòng)一定時(shí)間, 使工件內(nèi)的響應(yīng)振動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加,在應(yīng)力集中處引起塑性變形而松弛應(yīng)力。