水工金屬結構的殘余應力及時效方法

陳 浩

（廣東水電二局股份有限公司， 廣東 廣州 511340）

隨著我們國家社會建設的日益繁榮，其在很大程度上促使著我們國家的金屬結構不斷向前發展，但與此同時在諸多社會科學技術的推動作用下，人們對于生活中所使用的金屬結構質量也有了更高的期望值，因此面對當前的社會發展背景，就需要及時與水工金屬等結構的加工技術進行良好改進。在對水工金屬結構進行加工的過程中，由于受到多方面的因素影響，其金屬材料在加工制造的過程中會產生殘余應力，當殘余應力過大時就會達到金屬材料的屈服極限附近，從而會對金屬結構本身產生系列危害作用。與此同時，在我們國家目前應用金屬結構的過程中，其主體結構多采用焊接結構，所以為了能夠從基礎層面提升我們國家對于水工金屬等的應用，就需要對焊接殘余應力以及時效方法進行深入研究。

1 水工金屬結構的殘余應力概述

通俗來講，殘余應力又可以稱之為內應力，并且所有的物體 在沒有外力作用的條件下，其內部一般均存在不同程度的、用以保持自身平衡的應力，將其稱之為殘余應力。并且由于殘余應力產生的原因有所不同，可以將其分為三類：即宏觀應力、微觀應力、超微觀應力（點陣畸變）等。首先對于宏觀應力來說，其一般存在于金屬結構的較大區域內，并且該應力的產生一般是由于金屬結構本身在宏觀變形條件下所產生的，并且在金屬結構的很多截面均存在保持平衡的內應力。其次，與宏觀應力相對應的就是微觀應力，它一般存在的區域相對比較小，例如一個晶粒或者晶粒內部等大小的區域空間之內，并且該應力一般是由晶粒或者亞晶粒之間存在變形所引起的。最后，對于超微觀應力來講，其應力存在的區域將會更局部，一般會有幾十到幾百納米等一些極小的空間范圍內，該種應力的產生通常情況是由于金屬結構在塑性變形加工過程中所形成的大量點陣缺陷所導致的。

在對殘余應力的類別進行分析論證之后，可以很容易發現，其金屬結構在加工改進的過程中之所以會產生殘余應力，其在很大程度上均是由于不均勻的受力或者不均勻的溫度變化、相變等所引起的。例如在對金屬結構進行焊接的過程中，由于焊接溫度急劇變化，就會造成金屬結構從彈性狀態急劇向塑性狀態變化、一直等到液態，再過一段時間之后經過冷卻處理恢復至彈性狀態。在此整個過程中，由于焊接溫度的劇烈作用，就會很容易引起不均勻的收縮拉伸變形，最終產生焊接內應力。

2 殘余應力的危害作用分析

2.1 不同內應力的作用

在宏觀應力以及微觀應力當中，雖然這兩種殘余應力在實際金屬結構加工處理的過程中不容易出現，但是這兩者內應力的存在均會不同程度的造成金屬結構強度降低的危害，并且在之后的塑性變形等過程中國也會產生制約作用。對于超微觀應力來說，由于其產生的機理，其在金屬結構加工過程中很容易出現，但是該超微觀應力的存在，能夠在一定程度上增強金屬結構的強度，例如在實際加工過程中可以用于提升金屬強度、硬度以及耐磨性等。

2.2 應力腐蝕

對于水工金屬結構來說，其實際應用的環境一般多在水或者潮濕空氣等中，所以就會很容易引發殘余應力腐蝕的現象。所謂的應力腐蝕，就是指金屬在拉伸應力和化學介質的聯合作用下并按持有機理產生的低應力脆性斷裂現象，稱之為應力腐蝕。產生應力腐蝕的作用機理可以總結為：當金屬結構在拉伸應力以及特定腐蝕介質兩者的聯合作用下，其被加工的金屬由于其表面由于拉應力的存在而加速腐蝕，隨后就會造成晶粒之間的裂紋，并且這些裂紋在進一步拉伸應力的作用下，就會發生脆性斷裂。

2.3 脆性斷裂

在金屬加工的過程中，由于受到殘余應力的影響，其金屬結構就會很容易產生脆性斷裂現象，雖然發生脆性斷裂的幾率比較小，但是由于該危害所產生的后果是比較重大的，因此在金屬結構工程中不得不對其進行有效防止。該脆性斷裂的作用機理為：金屬結構內部由于受到一個很小的外界能量之后所引起的金屬裂紋快速擴展的過程。在實際的金屬結構加工項目過程中，為了有效防止脆性斷裂的發生，通常情況下就需要對其采用專門設計的構造細部以及足夠堅韌的鋼型。

2.4 內應力疲勞影響

在目前大量投入使用的水工金屬結構中，從鋼材本身而言，其所有的鋼材設計均是符合彈性設計的，但是在應用或者進行焊接等過程中，由于受到結構內應力、自身重力以及外載荷應力等多方面因素的影響作用下，就會造成焊接結構疲勞抗力的降低。與此同時，在大量的焊接研究中，均一致表明焊接結構疲勞應力的降低是由于焊接缺陷、應力集中以及顯微組織粗化等所引起的。

3 時效方法

3.1 鋼的時效

在對鋼材工藝以及加工技術進行大量研究的基礎上，假設在鋼材工藝靜力拉力試驗的過程中，當保持加載比率不變并且試驗緩慢進行時，則在間歇足夠長的時間后重新加載，鋼材的屈服應力就相對應的獲得提升、韌性降低、拉力強度也將會提升。

3.2 自然時效

自然時效，顧名思義就是利用自然中的相關因素方法對其進行一定的優化改善。其主要的作用原理就在于，當把金屬構件放置在露天的室外條件下時，由于會受到風吹、雨淋以及溫度變化等多方面的影響，隨著時間的推移，就會使得該金屬構件本身造成反復的溫度應力，最終就會使得其在溫度應力形成的過載下，促使參與應力發生松弛而使得尺寸精度獲得穩定性。

3.3 振動時效

振動時效是錘擊松弛法” ( 敲擊時效) 的發展，錘擊松弛法,可用木錘、橡皮錘、紫銅錘等，敲構件的合適部位，激起構件共振，即給工件一個沖擊力, 激起工件的響應，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的振幅作減幅振動。敲擊后，當構件內引起的響應振動應力與殘余應力迭加而超過材料的屈服極限，引起局部塑性變形，使殘余應力峰值降低而松弛。振動時效是采用外力振動的方式，利用共振原理使工件內部產生一定周期性變作用力，作用力和工件本身殘余應力疊加，超過工件的微觀屈服極限便導致工件發生微觀的塑性力學變化，從而達到完美的殘余應力，使工件內部各方面作用的力基本趨于平衡，防止工件變形，提高工件疲勞極限。具有高效節能，不受場地限制、操作簡便等特點。錘擊松弛法，即通過大振幅多次反復作用并持續振動一定時間, 使工件內的響應振動應力與殘余應力迭加,在應力集中處引起塑性變形而松弛應力。