水工金属结构的残余应力及时效方法

陈 浩

（广东水电二局股份有限公司， 广东 广州 511340）

随着我们国家社会建设的日益繁荣，其在很大程度上促使着我们国家的金属结构不断向前发展，但与此同时在诸多社会科学技术的推动作用下，人们对于生活中所使用的金属结构质量也有了更高的期望值，因此面对当前的社会发展背景，就需要及时与水工金属等结构的加工技术进行良好改进。在对水工金属结构进行加工的过程中，由于受到多方面的因素影响，其金属材料在加工制造的过程中会产生残余应力，当残余应力过大时就会达到金属材料的屈服极限附近，从而会对金属结构本身产生系列危害作用。与此同时，在我们国家目前应用金属结构的过程中，其主体结构多采用焊接结构，所以为了能够从基础层面提升我们国家对于水工金属等的应用，就需要对焊接残余应力以及时效方法进行深入研究。

1 水工金属结构的残余应力概述

通俗来讲，残余应力又可以称之为内应力，并且所有的物体 在没有外力作用的条件下，其内部一般均存在不同程度的、用以保持自身平衡的应力，将其称之为残余应力。并且由于残余应力产生的原因有所不同，可以将其分为三类：即宏观应力、微观应力、超微观应力（点阵畸变）等。首先对于宏观应力来说，其一般存在于金属结构的较大区域内，并且该应力的产生一般是由于金属结构本身在宏观变形条件下所产生的，并且在金属结构的很多截面均存在保持平衡的内应力。其次，与宏观应力相对应的就是微观应力，它一般存在的区域相对比较小，例如一个晶粒或者晶粒内部等大小的区域空间之内，并且该应力一般是由晶粒或者亚晶粒之间存在变形所引起的。最后，对于超微观应力来讲，其应力存在的区域将会更局部，一般会有几十到几百纳米等一些极小的空间范围内，该种应力的产生通常情况是由于金属结构在塑性变形加工过程中所形成的大量点阵缺陷所导致的。

在对残余应力的类别进行分析论证之后，可以很容易发现，其金属结构在加工改进的过程中之所以会产生残余应力，其在很大程度上均是由于不均匀的受力或者不均匀的温度变化、相变等所引起的。例如在对金属结构进行焊接的过程中，由于焊接温度急剧变化，就会造成金属结构从弹性状态急剧向塑性状态变化、一直等到液态，再过一段时间之后经过冷却处理恢复至弹性状态。在此整个过程中，由于焊接温度的剧烈作用，就会很容易引起不均匀的收缩拉伸变形，最终产生焊接内应力。

2 残余应力的危害作用分析

2.1 不同内应力的作用

在宏观应力以及微观应力当中，虽然这两种残余应力在实际金属结构加工处理的过程中不容易出现，但是这两者内应力的存在均会不同程度的造成金属结构强度降低的危害，并且在之后的塑性变形等过程中国也会产生制约作用。对于超微观应力来说，由于其产生的机理，其在金属结构加工过程中很容易出现，但是该超微观应力的存在，能够在一定程度上增强金属结构的强度，例如在实际加工过程中可以用于提升金属强度、硬度以及耐磨性等。

2.2 应力腐蚀

对于水工金属结构来说，其实际应用的环境一般多在水或者潮湿空气等中，所以就会很容易引发残余应力腐蚀的现象。所谓的应力腐蚀，就是指金属在拉伸应力和化学介质的联合作用下并按持有机理产生的低应力脆性断裂现象，称之为应力腐蚀。产生应力腐蚀的作用机理可以总结为：当金属结构在拉伸应力以及特定腐蚀介质两者的联合作用下，其被加工的金属由于其表面由于拉应力的存在而加速腐蚀，随后就会造成晶粒之间的裂纹，并且这些裂纹在进一步拉伸应力的作用下，就会发生脆性断裂。

2.3 脆性断裂

在金属加工的过程中，由于受到残余应力的影响，其金属结构就会很容易产生脆性断裂现象，虽然发生脆性断裂的几率比较小，但是由于该危害所产生的后果是比较重大的，因此在金属结构工程中不得不对其进行有效防止。该脆性断裂的作用机理为：金属结构内部由于受到一个很小的外界能量之后所引起的金属裂纹快速扩展的过程。在实际的金属结构加工项目过程中，为了有效防止脆性断裂的发生，通常情况下就需要对其采用专门设计的构造细部以及足够坚韧的钢型。

2.4 内应力疲劳影响

在目前大量投入使用的水工金属结构中，从钢材本身而言，其所有的钢材设计均是符合弹性设计的，但是在应用或者进行焊接等过程中，由于受到结构内应力、自身重力以及外载荷应力等多方面因素的影响作用下，就会造成焊接结构疲劳抗力的降低。与此同时，在大量的焊接研究中，均一致表明焊接结构疲劳应力的降低是由于焊接缺陷、应力集中以及显微组织粗化等所引起的。

3 时效方法

3.1 钢的时效

在对钢材工艺以及加工技术进行大量研究的基础上，假设在钢材工艺静力拉力试验的过程中，当保持加载比率不变并且试验缓慢进行时，则在间歇足够长的时间后重新加载，钢材的屈服应力就相对应的获得提升、韧性降低、拉力强度也将会提升。

3.2 自然时效

自然时效，顾名思义就是利用自然中的相关因素方法对其进行一定的优化改善。其主要的作用原理就在于，当把金属构件放置在露天的室外条件下时，由于会受到风吹、雨淋以及温度变化等多方面的影响，随着时间的推移，就会使得该金属构件本身造成反复的温度应力，最终就会使得其在温度应力形成的过载下，促使参与应力发生松弛而使得尺寸精度获得稳定性。

3.3 振动时效

振动时效是锤击松弛法” ( 敲击时效) 的发展，锤击松弛法,可用木锤、橡皮锤、紫铜锤等，敲构件的合适部位，激起构件共振，即给工件一个冲击力, 激起工件的响应，工件以自己的固有频率和迅速衰减的振幅作减幅振动。敲击后，当构件内引起的响应振动应力与残余应力迭加而超过材料的屈服极限，引起局部塑性变形，使残余应力峰值降低而松弛。振动时效是采用外力振动的方式，利用共振原理使工件内部产生一定周期性变作用力，作用力和工件本身残余应力叠加，超过工件的微观屈服极限便导致工件发生微观的塑性力学变化，从而达到完美的残余应力，使工件内部各方面作用的力基本趋于平衡，防止工件变形，提高工件疲劳极限。具有高效节能，不受场地限制、操作简便等特点。锤击松弛法，即通过大振幅多次反复作用并持续振动一定时间, 使工件内的响应振动应力与残余应力迭加,在应力集中处引起塑性变形而松弛应力。