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残余应力产生与对腐蚀开裂影响


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第2卷 第2 6 期 
20 年 o 月 08 3  

佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )   Junl f i ui n e i N t a Si c dtn   ora o J m s U i rt a rl c neE io )     a   v

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文 章 编号 :08—1 1o8 o 10  ̄ "o )2—08 2 12—0  3

残 余 应 力 的产 生 和 对 腐 蚀 开 裂 的 影 响 研 究 
张 霞 
( 木斯大学机械工程学 院。 佳 黑龙江 佳木斯 1g ) 5 ̄   ,



要 : 分析 了机械 零件 残余 应力 的产 生原 因和应 力腐蚀 开 裂的基 本 条件 , 过 实验论 述 了残    通

余应 力对 腐蚀 开裂 的影响 , 为控 制 已加 工表 面的残余 应 力提 供 了理论 依据 .   关键词 : 应 力腐蚀 开裂 ;   残余应 力 ; 应 力 ; 拉 裂纹扩 展  中图分类 号 : T 14 G 6  文献标 识码 : A  

0 引 言   
金属在拉应力和特定 的腐蚀环境共同作用下  发生的脆性断裂称为应力 腐蚀开裂 , S C 如发  即 C,
生在钢 、 不锈钢 、 镍基合金 、 、 铝 钛甚至金等材料上 .  

4 只有在特定 的腐蚀介质 中才会发生应力  )   腐蚀 . 由于材料成分和组织的不 同, 对开裂 的敏感  性也不同. 例如低碳 钢在硝酸盐中的“ 硝脆 ”奥氏  , 体不锈钢在氯离子溶液 中的“ 氯脆”锅炉钢在碱溶  , 液 中的“ 碱脆”黄铜在带有氨气氛中的“ , 氨脆”  . 5 SC ) C 断裂形态属于脆断.   因此, 要产生腐蚀开裂, 必须具备 以下几个条  件: 拉应力 、 特定的介质和对腐蚀敏感的金属 . 其中 
拉应力和腐蚀共存是应力腐蚀开裂的必要条件 . 受  力结构中局部的高拉应力往往是开裂的起源 , 当材 

它是一种极为隐蔽的局部腐蚀形式 , 而且往往事先  无明显预兆, 因此 常常造成灾难性 的事故 . 产生应  力腐蚀 的拉应力 , 可以是工作应力 、 残余应力或服  役时的热应力等 . 在工程中, 往往只注意工作应力 ,   而忽视 了残余应力 . 在金属应力腐蚀破坏事故中,   残余应力往往起重要作用 , 因此研究残余应力对金  属腐蚀开裂的影响具有重要意义 .  

料处于拉应力的作用下 , 同时又处于与腐蚀性介质  相接触的状态时 , 在这种条件下 , 往往材料经过一  定时间使用后 , 就发生裂纹 , 并扩展到整个断面而  破坏 . 根据大量 S C破坏事故 中拉应力 的主要来  C 源统计资料表明, 残余应力占主要地位 .  

1 应力腐蚀开裂 的特征 
应力腐蚀只有在特定条件下才会发生 . 产生腐 
蚀 开裂 的基本 特 征如下 :  

1 一定要在拉应力的作用下才发生 . ) 在压应  力下不会发生应力腐蚀 . 当有多向应力存在时, 其  最大主应力为拉应力时 , 即会发生应力腐蚀 .   2 大多数体 系中 , ) 存在临界应力值 . 当应力  低予某一值时, 不会发生应力腐蚀 , 一旦超过该值 ,   即可发生应力腐蚀 . 一般 除不锈钢外, 金属均存在  临界应力值 .  
3 应力腐蚀主要发生在合金中, ) 纯金属一般  不会发生 . 但并不存在绝对的纯金属 , 有时也会有  极少的不纯物产生断裂 的敏感性 , 因而也不容忽视 

2 残余应力的产生 
在没有外力加载的条件下 , 其内部仍存有的应  力称为残余应力 . 这种 或大或小、 或拉或压的残余 
应力虽然只产生在很薄的表面层中, 但却影响零件  的强度、 硬度 、 疲劳强度、 抗腐蚀性等 , 从而进一步  影响机械产 品的使用寿命 . 残余应力产生的实质是  由于金属 内部组织发生了不均匀的体积变化 , 主要 
有 以下三 种原 因 :  

1 毛坯制造中产生的残余应力  ) 在铸 、 、 锻 焊接 以及热处理等热加工过程中,   由 于工件各部分厚度不均 , 冷却速度和收缩程度不一 

其应力腐蚀 . 合金具有裂纹敏感性是因为合金成分  中的微小偏析引起微裂纹而致 , 特别是晶界裂纹几  乎全部是组织的晶界偏析而引起的[ . 1  】
① 收稿 日期:08 0 — 8 20 — 1 0 

致, 以及金相组织转变时的体积变化等, 都会使毛  坯 内部产生残余应 力 . 而且毛坯结构越复杂、 壁厚 

作者简介: 张霞(94 , , 1 -)女 黑龙江双鸭山人, 7 佳木斯大学机械工程学 院讲师 , 主要从 事机械 设计制造及 自动 化方面的研究 .  

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第2 期 

张  霞: 残余应力的产生和对腐蚀开裂的影响研究 

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越不均, 散热的条件差别越大, 毛坯 内部产 生的残  余 应力也 越大 .   2 冷校直带来的残余应力  )
某些刚度低的零件 , 如细长轴、 丝杠和曲轴等 ,   由于机械加工后满足不了轴线的直线度要求 , 常进  行冷校直 . 校直 的方法是在弯 曲的反方向加外力 ,   其原理是使工件产生与原弯曲方 向相反的残留变 

种: 一种是沿晶界发展 , 称为晶间破裂 ; 另一种是穿  过晶粒发展 , 称为穿晶破裂 . 在应力腐蚀开裂中, 裂  纹 的扩展 主要 是沿 着最 大 主应力垂 直 的方 向进 行 .   在研 究残余 应力 对腐 蚀 开 裂 达 到 破坏 时 间过 程 中  所起 的作用时, 从机能上可把残余应力当作外部应  力, 暂且看成与外部 应力 的作用相 同L . 3 其破坏的  】 时间 , 一般取决于裂纹的发生及其扩展的快慢 .  

. 形, 来补偿原有弯曲误差 . 在冷校直过程 中, 因其  3 1 拉应 力对 腐蚀 开裂 的影 响  会 局部的塑性变形而产生残余 应力 .   拉应力是应力腐蚀开裂的必要条件之一 . 拉应  3 切削加工产生的残余应力  ) 力作用下 的裂纹扩展速度的问题 , 在应力腐蚀开裂  机械加工时 , 残余应力是 由于已加工表面受切  中是很重要的 . 1 图 所示为没有残余应力的试件在  削力和切削热的作用发生塑性变形和金相组织的  腐蚀介质中进行拉仲所得到的应力——寿命 曲线 .   变化影响所致 . 已加工表面的塑性 变形 , 一是在表  实验表明 , 各种材料的关系曲线大致平行 , 拉应力  面层受热膨胀的状态下发 生, 当切 削过后 , 表层温  高时寿命 短 . 拉应力 的作用就 在于加速裂 纹的产  度下降 比里层快 , 收缩变形也 比较 大, 受到基体金  生. 应力越 大 , 越易 发生 应力 腐蚀 破坏 .   属的阻碍 , 工件表 面产生残余拉应力; 二是 刀具对  已加工表面的挤压 , 使表 层金属发 生伸 长塑性变  50 0 0   形, 但受到基体金属的阻碍 , 工件表层产生残余压  20 0 0   吕 10  00 应力 . 另外, 切削时产生的高温会引起表面层金相  5 0 O   组织变化 . 不同的金相 组织 密度不 同, 因此表层体  2 0 0   积也将发生变化 . 中, 氏体 密度为 77 g  ̄ , 其 马 .5/   c l O O   6   0 奥氏体 密度为 7 98  ̄ , 光体 密体 为 7 7# .6 # 珠 .8   Lg . gmm 。 st k   咖}铁素体密体为 7 8g m . , .8, 3若表层体积膨胀 ,   c 由 于受到基体的限制, 会产生残余应力 , 反之则产生  图 l 拉应力— —寿命 曲线  试件 : l —转炉钢 2 一工 业纯铁 3 —平炉钢 4 —珠光体钢  残余拉应力 . 在磨削淬火钢时, 若表层产生 回火烧  \ \/牝 1   腐蚀介质 : 硝酸盐溶液  伤, 则马氏体转变为接近珠光 体 的索 氏体或屈 氏  应力条件 : 在屈服应力上下的塑性区和弹性区域施加拉应力  体, 体积缩小 , 故产生残余拉应力 ; 若表面温度超过  A 且冷却充分 , G 则表层又将 成为二次淬火马 氏 
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体, 密体减小、 体积膨胀 , 因而表 层产生残余 压应  力, 里层产生残余拉应力 [. 2 实际上 , ] 切削加工中切  削热不高, 表面易产生残余压应力 ; 磨削加工时温  度较高 , 表面易产生残余拉应力 .   综上所述 , 零件经机械制造后 , 残余 应力是 以   上三方面综合作用 的结果 . 进行分析时, 应视其具  体情况 而定 .   由于铸造 、 焊接、 冷加工等工艺引起的残余应  力在工程结构 中大量存在, 有关残余应力对腐蚀开  裂的影响已开始引起人们的重视 .  

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二 . 

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图 2 残余应力对应力腐蚀的影响 

试件处理 : r啦 拔后温水淬火使其表面产生残余压应力  b —拉拔后进行加工使其表面产生残余拉应力  腐蚀介质 ; 氯化钠与碳酸钠混合溶液 ( 比为 l20  浓度 ;0) 应力条件; 残余应力叠加外部应力( 外加载荷所造成的弯曲应力)  

3 残余应力对腐蚀开裂 的影 响 

在零件使用过程 中, 工作应力与其 内部的残余  32 残余应力对腐蚀开裂的影响  . 应力相叠加 , 将导致零件产生二次变形和残余应力  表面残余应力常常是至关重要的, 它无疑控制  的重新分布 , 在工作温度、 工作介质及残余应力的  裂纹的萌生 . 就应力 而言 , 局部拉伸应力在裂纹尖  共同作用下, 零件的抗应力腐蚀开裂能力将大大下  使保护膜 破裂 . 局部应力一般为  降. 应力腐蚀按其机理主要可分为阳极溶解型和氢  上造成局部应变 , 当应力低于某一值时,   致开裂型 . 典型的应力腐蚀 的裂缝 形态 一般有两  外部应力与残余 应力之 和.

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佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )  

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不会 发生应 力腐 蚀 , 旦超 过 该值 , 一 即可 发生 应 力  腐蚀, 该值 即为 临界应 力值 . 般 除不锈钢 外 , 属  一 金

产生很 大 的应力 . 纹 的 深 度 越大 , 纹尖 端 的应  裂 裂 力就 越大 , 进一 步加 速裂纹 的扩 展 . 会   如果应 力状态 是 残余 应力 , 则它在 断面 内常常 

均存在临界应力值 . 由于残余应力可以超过负荷应  力, 因而轻负荷处也可能开裂 . 材料往往因为塑性  变形和焊接时的残余拉应力较高, 导致应力腐蚀 .   图2 所示为具有实际残余应力的试 样的应力腐蚀  实验 . 将铝合 金试 件进 行 各 种 处理 , 之具 有 不 同  使 性 质的残余 应 力 , 施 加 弯 曲应 力 来进 行 腐蚀 实  并 验, 得到 实 际 具 有 残 余 应 力 时 的应 力— — 寿命 曲  线 . 种残余 应力 不 同所 造 成 的影 响 , 这 在该 应 力 腐  蚀 开裂实验 中 , 现得很 明显 . 表  
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是 自身保持平衡 . 而若是外部应力时 , 断面内的应  力是对外力保持平衡 . 残余应力在有外部应力作用  时分布会有很大的变化 , 这就是它对裂纹扩展的影  响. 探测 残余 应力 的变化 情况 , 预测裂纹 的发生 , 进  而预测 其扩 展情况 是 可能 的 .  

4 结

论 

,   -
… +I     …l  
r  一

表 面层 的应 力 状态 对 零 件 的耐 腐蚀 性 影响很  大. 当残余应力与外部应力叠加时 , 有可能成为适  宜于应力 腐蚀 开 裂 的状 态 , 可能 是 相 反 的状 态 . 也   就残余应 力 的效用 而言 , 果与 腐蚀介 质相接触 的  如

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部位 , 存在的是压缩残余应力 , 有助于表面层微小  裂纹 的封 闭 , 提 高 了表 面 的抗 腐 蚀 能 力 . 可 当零 件  表面层是残余拉应力时 , 则利于腐蚀裂纹 的开展,  

图 3 裂纹扩展时的应力分布状态 

33 裂纹扩展 过程 中的应 力分布  .

降低了表面的抗腐蚀能力 . 普遍分析认为, 较高水  平的残余应力 , 使设备中的综合应力水平达到了开  裂 门槛值 , 设 备应 力 腐 蚀 开 裂 的重 要 应力 因素 . 是   在零件的制造到焊接装配的过程中, 控制残余应力  的产生, 是防止应力腐蚀开裂的有效措施 .  
参 考文献 :  
[ ] 陆亚伟 . 1 论应力腐蚀断裂 [] 中 国化工设备 ,0 l0 )4 — J. 2 0 (2 :3  
4   6.

现在来探讨一下裂纹扩展时的状态 . 实际情况  几乎都是在有残余应力的状态下 , 再加上外部应力  的情况 . 对于裂纹扩展来说 , 作用应力 的状态是非  常重要的, 要同时考虑表面层 内残余应力的大小、  
方 向及 分布情况 . 3为裂纹扩 展 时的应 力分 布状  图 态 , 代表裂 纹 . 仅有残 余 应力 , 在扩 展着 的  C处 若 正 裂纹 当其 尖端处 的拉应 力 为屈 服应 力 的 3 %左 右  0 时 , 就停止扩 展 . 有外 应力 的情况 下 , 裂纹 在 裂纹尖 

[] 汤忠义 . 2 模具 制 造工艺 [ . M] 北京 : 中国劳 动社会保 障 出舨 
社 。05  2O .

[ ] 米谷茂( . 3 日) 残余应 力的产生 和对策 [ ] 北京 : M . 机械 工业 出  
版社 ,93  18 .

端处在外部拉应力的作用下 , 将因缺 口效应而常常 

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Ab ta t sr c :

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