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機械加工為何會在表面層產生殘余應力

發布時間: 2017-06-18 08:56 字號:

應力分為壓應力和拉應力。金屬工件經機械加工后,表面層組織會發生形狀變化或組織變化,在表面層及其與基體材料的交界處就會產生互相平衡的應力,即表面層的殘余應力。殘余壓應力可提高工件表面的耐磨性和疲勞強度,而殘余拉應力則起相反的作用。若拉應力值超過工件材料的疲勞強度極限值時,則使工件表面產生裂紋,加速工件損壞。

殘余應力的產生,有以下三種原因。

(1)冷態塑性變形引起的殘余應力在機械加工過程中,由于切削力的作用使工件表面受到強烈的塑性變形,而此時基體金屬處于彈性變形狀態。切削力消除后,基體金屬趨向恢復,但受到表面層的限制,因而要產生殘余應力。其中切削刀具對已加工表面的擠雎和摩擦的影響較大,使表面層產生伸長塑性變形,這時產生的殘余應力為壓應力。

(2)熱態塑性變形引起的殘余應力 切削加工時.由于表面層與基體受熱源作用的影響不同,產生的熱膨脹變形程度也不同。當切削結束后,由于表層已產生塑性變形并受到基體的限制,就要產生殘余拉應力。磨削溫度越高,熱塑性變形越大,殘余拉應力也越大,甚至出現裂紋。

(3)金相組織變化引起的殘余應力機械加工過程中產生的高溫會引起表面層的金相組織變化,不同的金相組織具有不同的比重,亦即具有不同的比熱容。因此,如果表面層發生金相組織的轉變,不論是膨脹還是收縮,必然與基體之間產生殘余應力。

例如鋼中馬氏體的密度為7.75kg/m3,奧氏體的密度為7.96kg/m3,珠光體的密度為7.78kg/m3。磨削淬火鋼時,如果產生回火,表層組織從馬氏體變為屈氏體或索氏體(密度與珠光體相近),比熱容減小受到基體的阻礙產生殘余拉應力。但若表層溫度超過ac3(加熱時轉變為奧氏體的終了溫度),冷卻又充分,則原表層的殘余奧氏體轉變為馬氏體,質量熱容比增大受阻,這時工件表面i就要形成殘余壓應力;

機械加工后金屬表面層的殘余應力,是上述三者的綜合結果。在不同的條件下,其中某一種或兩種因素可能起主導作用。一般切削加工中,當切削溫度不高時,起主導作用的是冷態塑性變形,產生殘余壓應力。磨削加工巾,熱態塑性變形和相變起到了主導作用,產生殘余拉應力。

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