鋼材鋼管材料中的應力及其危害

物體由於外因（受力、溼度、溫度場變化等）而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，並試圖使物體從變形後的位置恢復到變形前的位置。

在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為

應力

。同截面垂直的稱為正應力或法嚮應力，同截面相切的稱為剪應力或切應力。

應力狀態

物體由於外因（受力、溼度、溫度場變化等）而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，單位面積上的內力稱為應力。應力是向量，沿截面法向的分量稱為正應力，沿切向的分量稱為切應力

物體中一點在所有可能方向上的應力稱為該點的應力狀態。但過一點可作無數個平面，是否要用無數個平面上的應力才能描述點的應力狀態呢？透過下面的分析可知，只需用過一點的任意一組相互垂直的三個平面上的應力就可代表點的應力狀態，而其它截面上的應力都可用這組應力及其與需考察的截面的方位關係來表示。

應力張量

應力張量

如右圖所示，P為直角座標系0XYZ中一變形體內的任意點，在此點附

近切取一個各平面都平行於座標平面的六面體。此六面體上三個互相垂直的三個平面上的應力分量即可表示該點的應力狀態。

為規定應力分量的正負號，首先假設：法向與座標軸正向一致的面為正面；與坐 標軸負向一致的面為負面。進而規定：正面上指向座標軸正向的應力為正，反之為負； 負面上指向座標軸負向的應力為正，反之為負。三個正面上共有九個應力分量（包括三個正應力和六個切應力）。此九個應力分量可寫成如下矩陣形式：

應力分量的第一個下標表示作用平面的法向；第二個下標表示應力作用的方向。正應力的兩個下標是一樣的，故用一個下標簡寫之。

由於切應力互等定理，上列矩陣中對角的切應力是相等的，即：τxy=τyx， τyz=τzy， τzx=τxz。因此，此矩陣為對稱矩陣，九個應力分量中六個應力分量是獨立的。

主應力

如果作用在某一截面上的全應力和這一截面垂直，即該截面上只有正應力，切應力為零，則這一截面稱為主平面，其法線方向稱為應力主方向或應力主軸，其上的應力稱為主應力。如果三個座標軸方向都是主方向，則稱這一座標系為主座標系。

在

塑性

力學中，常將應力張量分解為：

式中，稱為平均正應力。等號右端第一項稱為球形應力張量；第二項可記為：

稱為應力偏量張量。

應力張量不變數

在求解主應力的過程中會得到以主應力為未知數的三次方程，叫做狀態方程。

狀態方程的三個係數唯一由主應力確定，而一點的主應力是唯一的，這樣就得到了不隨座標變化的三個量，叫作應力張量不變數。

平衡微分方程

以上說明的都是一點的應力狀態，而物體內部不同點的應力狀態一般是不同的，那麼如何描述相鄰點間的應力變化關係呢？

以物體內某一點P（x，y，z）為頂點擷取邊長分別為dx，dy，dz的直角平行六面體微元，另一個頂點的座標則為（x+dx，y+dy，z+dz）。根據靜力平衡方程，並處理掉高階小量，得到應力平衡微分方程。

分類

正應力與剪應力

同截面垂直的稱為正應力或法嚮應力，同截面相切的稱為剪應力或切應力。應力

會隨著外力的增加而增長，對於某一種材料，應力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要破壞。對某種材料來說，應力可能達到的這個限度稱為該種材料的極限應力。極限應力值要透過材料的力學試驗來測定。將測定的極限應力作適當降低，規定出材料能安全工作的應力最大值，這就是許用應力。材料要想安全使用，在使用時其內的應力應低於它的極限應力，否則材料就會在使用時發生破壞。

有些材料在工作時，其所受的外力不隨時間而變化，這時其內部的應力大小不變，稱為靜應力；還有一些材料，其所受的外力隨時間呈週期性變化，這時內部的應力也隨時間呈週期性變化，稱為交變應力。材料在交變應力作用下發生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應力遠小於其靜載下的

強度

極限時，破壞就可能發生。另外材料會由於截面

尺寸

改變而引起應力的區域性增大，這種現象稱為應力集中。對於組織均勻的脆性材料，應力集中將大大降低構件的強度，這在構件的設計時應特別注意。

物體受力產生變形時，體內各點處變形程度一般並不相同。用以描述一點處變形的程度的力學量是該點的應變。為此可在該點處到一單元體，比較變形前後單元體大小和形狀的變化。

單位：Pa，Psi

拉應力與壓應力

一個圓柱體兩端受壓，那麼沿著它軸線方向的應力就是壓應力。壓

應力就是指使物體有壓縮趨勢的應力。 不僅僅物體受力引起壓應力，任何產生壓縮變形的情況都會有，包括物體膨脹後。 另外，如果一根梁彎曲，不管是受力還是梁受熱不均而引起彎曲，等等，彎曲內側自然就受壓應力，外側就受拉應力。

其實，拉應力表示正值的正應力，壓應力表示負值的正應力。

應力的單位為Pa。

1 Pa=1 N/m2

工程實際中應力數值較大，常用MPa或GPa作單位

1 MPa=10^6Pa

1 GPa=10^9Pa

測量工具

應力儀或者應變儀是來測定物體由於內應力的儀器。一般透過採集應變片的訊號，而轉化為電訊號進行分析和測量。

方法是：將應變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應變一起伸縮，這樣裡面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短。很多金屬在機械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。應變片就是應用這個原理，透過測量電阻的變化而對應變進行測定。一般應變片的敏感柵使用的是銅鉻

合金

，其電阻變化率為常數，與應變成正比例關係。

透過惠斯通電橋，便可以將這種電阻的比例關係轉化為電壓。然後不同的儀器，可以將這種電壓的變化轉化成可以測量的資料。

對於應力儀或者應變儀，關鍵的指標有： 測試精度，取樣速度，測試可以支援的通道數，動態範圍，支援的應變片型號等。並且，應力儀所配套的軟體也至關重要，需要能夠實時顯示，實時分析，實時記錄等各種功能，高階的軟體還具有各種訊號處理能力。

另外，有一些儀器是透過光譜，膜片等原理設計的。

危害

開裂

因為應力的存在，在受到外界作用後（如移印時接觸到化學溶劑或者烤漆後端時高溫烘烤），會誘使應力釋放而在應力殘留位置開裂。開裂主要集中在澆口處或過度填充處。

翹曲及變形

因為殘留應力的存在，因此產品在室溫時會有較長時間的內應力釋放或者高溫時出現短時間內殘留應力釋放的過程，同時產品區域性存在位置強度差，產品就會在應力殘留位置產生翹曲或者變形問題。

產品尺寸變化

因為應力的存在，在產品放置後或處理的過程中，如果環境達到一定的溫度，產品就會因應力釋放而發生變化。

殘餘應力消除

自然

時效

消除殘餘應力

公式

自然時效是透過把零件暴露於室外，經過幾個月至幾年的時間，使其尺寸精度達到穩定的一種方法。大量的試驗研究和生產實踐證明，自然時效具有穩定鑄件尺寸精度的良好效果。

然而，經過自然時效的工件，其殘餘應力的變化並不明顯，由圖3-1可見，鑄件試樣放置一年以後，殘餘應力僅降低2-10%；實測機床床身殘餘應力的結果表明，進行為期一年的自然時效後，最大殘餘應力由80N/mm降至70N/mm平均殘餘應力由38N/mm降至30N/mm，即僅僅降低了大約10-20%。由此可見，經自然時效後已停止變形的鑄件，仍然殘存著相當大的殘餘應力。對於那些使用時需承受很大載荷的鑄件，當在較高殘餘應力上再疊加使用應力時就有可能影響鑄件的使用效能，因此必須慎重考慮是否應該採用這種時效方法。

熱時效法

最傳統、也是目前最普及的方法——熱時效法，把工件放進熱時效爐中進行

熱處理

，慢慢消除應力。這種方法的缺點也非常顯著，比如衛星製造廠對溫度控制要求非常嚴格的鋁合金工件以及長達十米或者更大的巨型工件都無法用這種方法處理。而且這種方法還帶來了大量的汙染和能源消耗，隨著中國及世界範圍內對環保的進一步要求，熱時效爐的處理方式馬上面臨全面退出的境地。

利用亞共振來消除應力

這種方法雖然解決了熱時效的環保問題，但是使用起來相當煩瑣，要針對不同形狀的工件編制不同的時效工藝，如果有幾百上千種工件就要編幾百上千種工藝，而且在生產時操作相當複雜，需要操作者確定處理引數，複雜工件必須是熟練的專業技術人員才能操作。更令人遺憾的是這種方法只能消除23%的工件應力，無法達到處理所有工件的目的。

振動時效去除應力

振動時效技術，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”（簡稱“VSR”），旨在透過專用的振動時效裝置，使被處理的工件產生共振，並透過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件所有部位，使工件內部發生微觀的

塑性變形

—被歪曲的晶格逐漸恢復平衡狀態。位錯重新滑移並釘扎，最終使殘餘應力得到消除和均化，從而保證了工件尺寸精度的穩定性。

振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力，當附加動應力與殘餘應力疊加後，達到或超過材料的屈服極限時，工件發生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內部的殘餘應力，並使其尺寸精度達到穩定。