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残余应力检测和消除的必要性

发布时间: 2014-10-09      浏览次数: 1222

       残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力,在构件服役过程中,和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加,使其产生二次变形和残余应力的重新分布,不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下,还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。

       1、对结构刚度的影响

       当外载产生的应力δ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点fy时,这一区:域的材料就会产生局部塑性变形,丧失了进一步承受外载的能力,造成结构的有效截而积减小,结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝),或经过火焰校正,都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力,虽然在构件长度上的分布范围并不太大,但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降,对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

       2、对杆件稳定性的影响

       当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到fy这部分截而就丧失进一步承受外载的能力,继续承载的杆件的有效截而积减少,杆件刚度降低,稳定承载力降低。残余应力对受压杆件稳定承载力的影响大小,与残余应力的分布位置有关。

       残余应力是一个不稳定的应力状态,当构件受到外力、温度等其它因素作用时,由于这些作用应力与残余应力的相互作用,使构件某些局部呈现塑性变形,截而内残余应力重新分布,当外在因素去除时整个构件都要发牛变形。构件在使用过程中,残余应力将发生松弛,所以残余应力影响着构件稳定性。这也是工程部门最关心的问题之一。

       残余应力对构件变形的影响包括两个方面:一方而是构件抗静、动载荷的变形能力;另一方而是载荷卸载后变形恢复的能力。残余应力在这两个方而对构件的影响是很大的,因此人们一直在研究消除这此影响的有效方法。

       3、对静载强度的影响

       如果材料是脆性材料,由于材料不能进行塑性变形,随着外力的增加,构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加,直至达到材料的屈服极限,发生局部破坏,最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在,会使承载能力下降,导致断裂。对于塑性材料,在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用,会阻碍塑性变形的产生,从而也会大大降低构件的承载能力。

       对于焊接构件,只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素),残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时,外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中,应力不断增加,当叠加总应力达到材料的屈服极限fy,构件中存在残余拉应力的截而提前进入塑性区,后增长的外荷载仅由截而的弹性区承担,随荷载的增大,弹性区减少,塑性区增大,内部应力不断叠加,应力发生重新分布,直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布,故静力荷载相等,即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性,变成脆性或者构件材料塑性较低,残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生,在加载过程中,应力峰值不断增加,直至达到材料强度极限后发生破坏。因而残余应力对其有影响。

       4、对疲劳强度的影响

       钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后,应力幅值产生变化,将对结构抗疲劳强度产生影响。因此,如应力集中处存的着残余拉应力较大,疲劳强度就降低。应力集中系数越高,残余应力的影响也就越显著,因此,提高疲劳强度,不仅应从调节和消除残余应力着手,而且应从上艺和设计上来降低结构的应力集中系数,从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。

       5、对构件脆性的影响

       脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂,并快速在整个截面内传播直至破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。

       焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达fy) 时,在外荷载的作用下,有效比例极限降低,部分截而提前进入屈服。这部分截而在塑性变形后,材料的塑性变形能力降低,呈脆性。因此,残余应力的存在,使部分截面出现脆性性能,加剧了构件脆性破坏的可能性。

       裂纹扩大时结构脆断的重要原因。焊缝冷却时的收缩收缩作用受到约束,有可能出现裂纹,在板厚较大的焊接结构中尤其明显。例如在两块厚板T形连接时,当两块板间未留缝隙而不能相对移动时,焊缝因收缩受到约束因产生拉应力有可能促使开裂,如果在两块板之间垫上软钢丝留出缝隙,焊缝收缩有余地,裂纹就不会出现。