应力松弛的读书笔记

苍狼大地 · 发表于 2016-9-14 13:03:03

在帖子《螺母和螺栓为何会松动 - 亮剑搜集》中，写了个回复，总结了自己对应力松弛的读书笔记和理解。
8爷谈应力松弛也谈过很多，相信很多人对这个也很有兴趣，另开一帖，希望更多人能够学习，也希望大家一起探讨。

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1. 应力松弛比较重要的是螺栓和弹簧，特别是一些精密的应用。螺栓涉及到夹紧力的损失问题；弹簧涉及到力的恒定和位移的恒定，瑞士的钟表弹簧应该对这方面理解很深入。80年代论文说，SKF弹簧在工作十年以后载荷损失率为5~8%，国内同类弹簧10~15%甚至更高。还有以前听过的，欧洲的一些坯料放到户外或者海里面放置XX年自然时效，消除残余内应力，产品质量自然比坯料刚出炉还没有完全冷却就拿来加工的产品质量要好。

2. 应力松弛与蠕变的区别：
      ☆ 蠕变是一种高温松弛，由于高温状态下晶界强度低于晶内，处于不稳定的高能状态，位错在晶界上应力集中区域开始，然后向晶内扩展。
而应力松弛通常讲的是低温应力松弛，在低温时由于晶界强度远高于晶内，故而应力松弛不发生在晶界而发生在晶内（类似于穿晶断裂和沿晶断裂，哪里弱了去哪里）。应力松弛不是在所有晶粒内部均匀产生，而是首先发生在晶粒较弱的微区。微区内由于应变不均匀产生应力集中，当应力值大于材料弹性极限时，发生位错滑移（从微观层面理解屈服），通过微塑性变形材料得到强化。
      ☆ 蠕变是在恒定的载荷下，因部分弹性应变转变为塑性应变后导致的变形增加现象。而应力松弛指一定变形量下，工作过程中弹力或应力逐渐降低的现象。一个恒定载荷，一个恒定应变，两者形式上不同，但本质一样，即都是通过位错滑移使晶粒结构细化和均匀稳定化，完成由初始弹性变形向塑性残留永久变形的转变。

3. 应力松弛机理：过程通常可以分为两个阶段（见松弛曲线）：
      ☆ 第一阶段：斜率大，松弛速率较大。主要原因在于，此时以回复为主导，空位等点阵缺陷减少，可动的位错通过滑移实现位错重排，缠绕位错拉成直的接近平行的条形亚结构。所以松弛速率较大，应力松弛总量的很大一部分也在这个阶段发生。
      ☆ 第二阶段：斜率小，松弛速率小。主要原因在于，容易松弛的部分在第一阶段都已经整完了，走完了康庄大道，只能翻山越岭了。这一阶段以动态回复为主导，随着松弛时间延长，微塑性变形强化和析出强化逐渐达到平衡，在外部力量（载荷、热等）作用下条状亚结构进一步细化，获得更稳定的结构。这一阶段应力松弛量占应力松弛总量的比例较小。
      ☆ 应力松弛之所以会发生，是因为存在残余应力，残余应力中的宏观应力是应力松弛的重要来源，通过位错运动使材料产生微塑性变形，从而释放应力。这也就是八爷曾谈过，用日本、韩国和国内的板做成钣金件，放小黑屋里一个礼拜以后拿出来，很容易就看出来谁是谁了，本质就是内部残余应力。
      ☆ 应力松弛对组织结构非常敏感，组织结构由于材料的化学成分、晶粒组织、热处理工艺密切相关。
比如冷拔碳素钢丝形变不均匀，结构不稳定，应力集中区域多，总储能和宏观应力较大，松弛稳定性差。
淬火、回火弹簧钢丝比冷拔弹簧钢丝组织更稳定，内应力更小，具有更好的抗松弛性能。
形变热处理钢丝组织内部有大量位错亚结构，并弥散出许多微细碳化物，所以他的抗松弛性能最好。
      ☆ 为了降低残余应力的影响，防止工件在服役过程应力松弛引起功能不良，有很多去除应力的方法。其本质核心是减少可动位错的数目，增加位错运动的阻力。比如热处理强化使组织更均匀，去应力退火，合金强化（特别是易于形成稳定碳化物的元素）等，通过这样一些手段是材料内部位错状态和组织亚结构在短时间内达到相当稳定的状态，而不是在后期长时间释放，提高了松弛稳定性。

4. 针对弹簧的问题：
八爷曾经谈过弹簧的压并处理，对新弹簧有一定次数的压靠，质量低劣的弹簧根据变形量即可筛选出来。同时对有些变形要求严格的，用这个措施可以控制后期‘松弛’。
根据八爷提示的这点去读书，了解主要原理为，施加超过材料弹性极限的负荷，弹簧料径边缘应力超过弹性极限，外层塑性变形。解除强压后，弹性变形的心部区域解除应力恢复原状。但回复过程受到外层塑性变形层的阻止，表面回复应力与载荷作用方向相反，叠加后使材料截面危险应力降低并内移，结果小于按弹性变形计算的工作应力。同时强压过程产生残余变形，存在加工硬化，弹性极限和承载能力提高。
还了解到目前国内主要是冷强压，而国外比如德国、日本较多采用热强压、磁强压、电强压。冷强压只能说比不强压稍好，而热强压可以完全消除应力松弛第一阶段的影响，从而保证松弛量较小，同时松弛速率较低。
      ※ 但是我看我们的涡卷弹簧，400万次寿命要求，欧洲供应商的工艺里面没有包含相关内容，而国内供应商的工艺里面就包含了要预扭的要求。不知道是不是因为弹簧材料不同，欧洲材料内部残余应力小，国内大，所以要先预扭。弹簧、螺栓东西太深了。

零侠回复：
关于蠕变，说两句。蠕变并非是高温松弛。任何材料都存在一个蠕变温度。高分子材料的温度低，室温下就会出现，金属材料参差不齐，铜合金可能300度就会出现，一些高温合金要到红热态。蠕变的形成机制有多种，对应的效应是不同的。这些机制中，有的对温度敏感，有的对应力敏感。多数以扩散形式为主因，也有滑移形成的。很复杂。一般会引入应力指数n，来判断具体的形成机制。
地球上有很多蠕变现象，比如冰川的运动就是一种蠕变。

2266998 · 发表于 2016-9-14 15:34:41

哈哈，不错，这个问题其实非常复杂，各种金相有各自特点，要分门别类玩，有针对性，以后有时间，慢慢再说，

机小妖 · 发表于 2016-9-14 19:07:25

哈哈，大侠。我差点把蠕变和应力松弛搞混了。预先施加给材料一个与载荷反方向的内应力真是一个经典的方法。中秋快乐！

皮卡丘不会打乒乓球 · 发表于 2016-9-19 13:32:11

大侠估计以后是要专门研究材料了吗？这方面还要多多请教，之前从大侠哪里得到的三本书，两本是从炼钢角度讲硅钢片，还有一本讲原理，每一本都是很有难度的，起码很多东西我都不懂，这方面我还要付出很多时间和精力

苍狼大地 · 发表于 2016-10-2 09:03:09

老论坛谈过螺栓松弛问题

ylan · 发表于 2016-10-18 20:49:35

不知道大侠是否搜集过苏德达的论文和著作

ylan · 发表于 2016-10-18 21:04:47

ylan 发表于 2016-10-18 20:49
不知道大侠是否搜集过苏德达的论文和著作

我也是看大侠讲的应力松弛以及8爷等人的回复，才找到苏老师的文章，还是那时的论文有料

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