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残余应力的作用及其产生原因

分类:残余应力检测    关键词:残余应力

残余应力是结构或部件在不受外力作用时,其内部存在的自相平衡的应力。残余应力对构件的力学性能有很大影响,主要表现为以下几个方面:

降低韧性材料的刚度,减小脆性材料的强度,有残余应力的构件,当构件加工时,还产生“二次变形”从而降低或丧失尺寸精度;残余拉应力提高应力强度因子,降低结构的抗脆能力,增强应力腐蚀,促进蠕变断裂。对于那些在恶劣环境中使用的石油机械设备,这个问题就更为突出;残余压应力提高疲劳强度,但降低结构的稳定性。例如修井机相当于一个受压杆件,其破坏主要形式是失稳,而失稳临界应力比材料屈服应力小得多,所以消除结构残余应力将大大提高修井机的承载能力。

鉴于残余应力的上述作用和影响,如何确定残余应力的大小,调整残余应力的分布,减小残余应力对工程的危害,已成为人们广泛关注的问题。

产生残余应力的原因很多:一切加工过程几乎都有残余应力产生。如铸造、焊接和装配等,都不可避免要产生残余应力。前两者是由于热应力不均匀造成的,后者是由制造误差造成的。装配误差或变形不均造成的残余应力极为普遍。例如:修井机井架制成后,要使上体套进下体,需要进行矫正。矫正采用局部加热方法,此方法实质上就是用热变形的不均匀产生的残余变形来抵消制造尺寸误差。而需要矫正的尺寸范围在10mm到20mm之间是常见的事。假设井架大腿矩形钢管的半宽为76mm,两横撑间的距离为3600mm,取矫正尺寸为15mm,由此算得最大应力为53MPa,相当于井架大腿材料屈服应力的1/7。再如,在焊接井架天车时,四个大腿常不对位,需要用外力使其一端移动5-7mm的距离。对于角钢井架,由此产生的最大残余应力约为250MPa。可见焊接结构由制造误差产生的残余应力是一个值得重视的问题,这样的产品必须进行残余应力调整或消除处理。

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