零件在机械加工过程中产生的应力有哪些
本帖最后由 寂静回声 于 2024-5-22 16:20 编辑问
答
神他妈的弹性范围应力塑性范围应力，弹性塑性均对变形而言。
在弹性变形范围内，存在一个最大应力值。在此应力值之下，应力与应变之间遵循胡克定律，即应力与应变成正比关系。超过这个极限，材料开始进入塑性变形阶段。
在弹性变形过程中，横向应变与纵向应变之间存在一定的比例关系，这一比例常数称为泊松比。这意味着在弹性变形时，虽然体积保持不变，但材料的各个方向上会有协调的变形。
金属在塑性变形阶段的应力特点与弹性变形阶段有显著不同，塑性变形阶段，应力与应变之间的关系不再是简单的线性关系，而是非线性的。这意味着应力的增加不再与应变成正比，曲线开始偏离胡克定律的直线关系。
塑性变形过程中，材料可能会表现出应力软化（随着塑性变形的增加，继续加载所需的应力减小）或应变硬化（所需应力随变形增加而增大）的现象，具体取决于材料类型和变形条件。
塑性变形通常不是均匀分布的，局部区域的变形可能大于其他区域，导致应力集中，这可能成为裂纹萌生和扩展的起点。
金属机械加工通常分为铸造加工，焊接加工，锻造加工，金属切削加工，电火花加工，激光加工等等。不同的加工方法会产生不同的金属形态，也会有不同的应力。
1金属铸造过程中，由于金属从液态冷却凝固成为固态的过程中涉及复杂的物理变化，包括体积收缩、温度梯度导致的不同部位冷却速率差异、以及可能发生的相变等，会形成多种铸造应力，比如铸件各部分壁厚不均，导致在凝固和冷却过程中，不同区域冷却速度不同，从而引起不均匀的体积收缩。厚壁部分冷却慢，收缩受阻产生拉应力；薄壁部分或表面冷却快，产生压应力。这种应力在铸件结构复杂、壁厚差异大、合金线收缩率高或弹性模量大的情况下更为显著。
当铸件从液态冷却至固态并进一步冷却时，其固态收缩受到铸型、型芯、浇冒口等外部约束的阻碍，导致内部产生拉应力。这种应力在铸件落砂（即从铸型中取出）或去除浇冒口后通常会消失，因为它是一种临时应力。然而，在落砂前，若拉应力与热应力共同作用，瞬时应力超过铸件材料的抗拉强度，就可能引发裂纹。
对于那些在冷却过程中会发生固态相变的合金，由于铸件各部分冷却条件不一致，它们到达相变温度的时刻和相变程度也会不同，由此产生的应力称为相变应力。这种应力是由于相变伴随的比体积变化在铸件内部受到不均匀的限制而造成的。
2在锻造过程中，金属的不同部位由于散热条件不同，导致温度不均匀。表层冷却速度快，体积收缩大，而内部冷却慢，体积收缩小。这种表层与内部的温差会引起热应力，
某些金属在锻造冷却过程中会发生相变（如奥氏体转变为马氏体），伴随着比体积的变化。如果相变在工件的不同区域不同时发生，或者因工件壁厚不均导致相变程度不同，就会产生相变应力。
在锻造过程中，金属被强制塑性变形，不同部位的变形程度可能不一致，尤其是在复杂形状的锻造件中更为明显。这种不均匀的塑性流动会在工件内部产生残余应力。即使外力去除后，这些应力仍会保留在工件中。
在更微观的层面上，金属的晶粒结构在锻造过程中重新排列和细化，特别是在再结晶和晶粒长大过程中，也会因组织变化不均匀而产生应力。
3金属焊接加工过程中。由于局部加热，焊缝及热影响区的温度远高于周围未加热区域，造成不均匀的温度分布。高温区域膨胀，而低温区域限制这种膨胀，由此在焊件内部产生热应力。当焊件冷却时，这些热应力大部分会消失，但并非完全消失。
在焊接热循环的作用下，焊缝及热影响区的金属内部会发生相变，如奥氏体向铁素体或马氏体的转变，这些相变通常伴随着
比体积变化，从而产生相变应力。特别是当焊缝快速冷却时，形成的马氏体体积大于原奥氏体体积，导致局部应力集中。
焊剂从液态冷却凝固到固态过程中会发生体积收缩，如果这种收缩受到限制，就会在焊缝附近产生拉伸应力，并在远离焊缝的区域产生压缩应力。这部分应力在焊件冷却至室温后仍然存在，即为残余应力。
4 金属切削加工中工件表面层受到切削刃的挤压和摩擦产生塑性变形，导致表层金属比容增大，试图膨胀，但由于受到内部未变形金属的约束，表层产生残余压应力，而里层则相应产生残余拉应力。切削区域的高温可能导致金属局部软化和热膨胀，冷却后若各部分冷却速率不一致，也会形成不均匀的残余应力。
切削力的作用使工件表面及近表面层产生塑性变形，卸载后，这部分变形不能完全恢复，形成残余应力。
切向力（Ft）是沿切削速度方向，垂直于刀具基面，是切削过程中最主要的力，决定了主轴功率的需求。
径向力（Fr）平行于刀具基面，与进给方向垂直，影响工件的弯曲变形和刀具的偏斜。
轴向力（Fa）垂直于工件表面，影响工件的夹紧稳定性和刀具的定位。
切削过程中产生的热量会导致工件内外温差，冷却过程中因热膨胀系数差异和冷却速度不均产生热应力，会影响工件尺寸稳定性和加工精度。
在连续切削或断续切削中，重复的切削力作用下，工件和刀具表面会产生交变应力，长期作用可能导致材料疲劳破坏。
5 金属冲压变形过程中，由于材料发生塑性变形，会在金属内部产生各种应力，主要包括残余应力（第一类残余应力）是由冲压过程中不同部位的宏观变形不均匀性引起的。虽然其占总储能的比例较小（约0.1%左右），但仍会影响工件的尺寸稳定性和服役性能。
微观残余应力（第二类内应力）是由于晶粒与亚晶粒之间在变形过程中不均匀的滑移和转动所产生。这种应力主要源于晶格畸变，其能量占比相对较大，约为10%-20%。微观结构的不均匀性导致局部区域的应力状态不同于其他区域，影响材料的微观结构和性能。
冲压过程中，随着材料的塑性变形，局部区域的硬度和强度会增加，这称为加工硬化。加工硬化会导致进一步变形所需的外力增大，同时在材料内部积累应力。
6金属电火花加工（EDM）过程中，由于放电产生的极端高温和快速冷却效应，会在加工表面及附近区域形成复杂的应力状态，放电瞬间产生的极高温度可达到数千至上万摄氏度，导致金属局部快速熔化和气化。随后的快速冷却（通常是在毫秒级的时间尺度上）使得材料表面及近表面区域形成拉应力。这种急剧的温度梯度和相变会导致材料内部产生显著的热应力。
由于热应力的作用，加工表面往往会出现显微裂纹。这些裂纹主要集中在熔化层，但在高能脉冲条件下，裂纹可能扩展至热影响层。显微裂纹的形成与扩展会进一步影响材料的表面质量和疲劳寿命。
电火花加工后，材料表面可能残留有因不均匀热膨胀和收缩造成的残余应力。这种残余应力分布不均，可能引起工件变形，如弯曲或扭曲，影响工件的尺寸精度和稳定性。
电火花加工还会导致加工区域微观组织结构的变化，如产生回火或淬火效应，这些组织变化会引起局部区域的弹性模量和硬度变化，进一步产生应力。
尽管电火花加工主要是利用热效应去除材料，但在高能放电作用下，材料也可能经历局部的塑性变形，尤其是在材料表面和近表面区域，这也会产生相应的应力。
7金属激光加工，包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光雕刻等，由于其高度集中的能量输入，会在加工过程中产生多种应力。
激光加工时，高能量密度的激光束快速加热金属表面，导致局部温度急剧上升并形成熔池。随后的快速冷却过程会导致材料内外部产生较大的温度梯度，从而形成热应力。
在激光焊接过程中，熔化的金属在凝固时体积收缩，如果这种收缩受到约束，就会在焊缝区域及其周围形成应力。这种应力是焊接过程中常见的现象，也是导致变形和裂纹的主要原因之一。
激光加热引起的快速冷却可能导致金属内部的金相组织发生变化，如马氏体转变等，这种组织转变伴随的体积变化若受阻，则会产生相变应力。
激光加工结束后，如果上述应力未能完全释放，就会残留在工件内部，形成残余应力。残余应力可能影响工件的尺寸稳定性、疲劳强度和使用寿命。
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