应力松弛的物理模型

应力松弛的物理模型

应力放松是科学研究和工程领域的一个基本理论课题之一，在金属制品上是最常见的。无论是低碳、中碳或高碳钢丝都普遍存在应力松弛现象;对于PC钢丝、胎圈钢丝及弹簧产品,应力松弛现象不仅具有普遍性,而且是一个值得深入研究的重要课题。1电压缓冲动力学曲线及其特征指标1.1应力松弛试验应力松弛是指金属材料或元件在恒应变(初始负荷和温度一定)条件下的应力随时间延续而减小的现象。它和蠕变现象密切相关,蠕变是指在恒应力条件下试样长度随时间延长而增加的现象。在弹性极限以内工作的试样或工件,应力与应变成正比,其比值即弹性模量E。所以,应力松弛和蠕变是应力和应变关系中的两个侧面,只是侧重点不同而已。有些文献中通常把较低温度下的应力松弛看作是低温蠕变过程。国家标准GB10120《金属应力松弛试验方法》已于1990年公布实施。采用拉伸法、弯曲法和扭转试验法测得的结果(数据)均可绘出其典型的应力松弛(动力学)曲线,如图1所示。该类曲线能很好地描述应力松弛过程,从曲线的变化趋势看,它明显地分为2个阶段:第Ⅰ阶段持续时间较短,应力随时间延长而急剧下降(见图1中ab线段);第Ⅱ阶段则持续时间很长,应力随时间延长缓慢降低并趋于一恒定值(见图1中bc线段)。由该曲线可确定弹性元件或金属材料的抗应力松弛能力的特性指标如下:(1)剩余应力(σsh):在初始应力作用下经过规定时间后材料或元件剩余应力的大小。亦可用剩余应力与初始应力(σ0)之比的百分数表示。它表征了金属材料应力松弛性能的好坏,σsh或σsh/σ0的值越大时,材料的松弛稳定性越好。松弛掉的应力σs0:应力松弛过程中任一时间内试样所减少的应力,即σs0=σ0-σsh,或用Δσσ0Δσσ0、Δττ0Δττ0或ΔPP0ΔΡΡ0等表示。显然,σs0越小越好。(2)松弛率υs:单位时间的应力下降值,即给定瞬间的应力松弛曲线的斜率(υs=dσdt)(υs=dσdt)。显然,Ⅰ阶段松弛曲线的斜率比Ⅱ阶段松弛时大得多,即υsⅠ>υsⅡ。υsⅡ趋于一恒定值,υs越小,表示材料或元件的抗应力松弛性能越好。(3)松弛稳定系数S0:它是松弛曲线的直线部分外延至应力坐标轴上的应力值σ0′与初始应力值之比,即S0=σ0′/σ0。S0表示Ⅰ阶段的松弛特点,其值越小表征材料或元件的松弛稳定性越好。(4)松弛速度系数t0:t0=1/tg?α,α为松弛曲线的直线部分与时间坐标轴之间的夹角,它表示Ⅱ阶段的松弛特征。tg?α(或α角)越小,t0越大时表征其松弛稳定性越好。由于应力松弛试验时间很长,一般达105?h,故对曲线的时间坐标多采用对数(lg或ln)坐标作图,这样能更好地反映应力松弛动力学规律。所以,表现材料或元件的松弛曲线有多种形式。例如,σ-t,σ-lg?t,lg?σ-lg?t,Δσσ0−lnt,Δσσ0-lnt,ΔPP0t,ΔΡΡ0(负荷损失率)-ln?t及ln?υs−1T(K)υs-1Τ(Κ)曲线等。松弛试验要求在恒温及恒应变条件下进行。对于PC钢丝、钢棒或弹性元件的应力松弛测定,各发达国家或地区都提出了自己的标准。我国在20世纪80年代曾引进意大利Metro-Com30t拉伸松弛试验机来测定>5mm等规格的PC钢丝。英国生产的Instron型电子拉伸机,应力、应变均能自动控制,其松弛试验非常简单,只需将试件装在恒温炉中加热,用引伸仪监控钢丝应变恒定,当钢丝长度发生变化时,应力将自动降低,保持恒应变。采用这种比较先进的测试设备可自动绘出σ-t曲线。对于弹簧或弹性元件一般采用实物进行应力松弛或松弛变形的对比试验,看其在所规定的技术条件下能否达到所要求的应力松弛或松弛变形值。1.2阶段松弛率的变化影响弹簧材料或制品应力松弛特性的因素比较复杂。有外因和内因,前者有施加的负荷、时间和环境温度等;后者是指材料的化学成分、塑性变形及热处理后所获得的金相组织与力学性能等。金属学指出,金属材料(特别是高强度的冷拔钢丝或其他弹簧材料)内部有较多的晶体缺陷,内能较高,金相组织及其位错亚结构不稳定。在一定条件(如负荷、温度和作用时间等)下,它将向低自由能状态转化,使弹性变形逐渐转化为弹、塑性变形,并释放冷加工时储存的部分能量,这种现象就是金属材料及其制品的应力松弛过程。有时可将松弛的影响外因命名为:时间松弛、应力(负荷)松弛和温度松弛。实际上为复合因素作用下的松弛。现以冷拔碳素高强度钢丝为例,以松弛率(υs)为松弛特性指标,讨论上述3因素(σ、T和t)对υs的影响规律。根据我们多年的研究结果并参考国内外有关资料,介绍这3种因素对Ⅱ阶段松弛率的影响规律如下。对于金属制品的时间松弛曲线可用回归方程表示其规律性变化σsh=a-bln?t(1)式中:σsh——剩余应力(σ0,T固定时),MPa;a——该直线方程与纵坐标轴的交点,即σ0′;b——直线的斜率,即υs(松弛率)。a、b数值为常量,它取决于材料、初始应力σ0及实验温度T。由式(1)可知,从曲线或从回归方程中确定了a、b值,则任意时间(t)下的剩余应力(σsh)是多少便可求出。换成松弛率υs(Δσσ0υs(Δσσ0或ΔPP0ΔΡΡ0等形式),亦可写成下式υs=A+Bln?t(2)式中的A、B是常数,它的变化也同样取决于材料种类和试验条件。由图1可知,Ⅰ阶段松弛时间相当短,但其松弛量大(称亚稳态松弛);Ⅱ阶段松弛经历时间很长(约占整个松弛的80%~90%),松弛速率较低并趋于恒定值,故称稳态松弛,它是研究的重点。该阶段所需时间视材质而异,对于碳素钢和低合金钢一般需72h;对于不锈钢至少需168h;对于含镍、钴元素较多的合金则需更长的时间。松弛率与承受的应力水平有关,它可用指数方程表示:υs=AeBτ-C(3)式中:τ——原始切应力水平;A、B、C皆为常数,取决于试验条件。将(3)式取对数,得ln?(υs+C)=ln?A+Bτ(4)(υs+C)应大于0,避免υs小于0或τ反而上升的现象。很明显,ln?υs-τ为线性变化关系。对于温度松弛可用指数方程表示其松弛率,即υs=Ae-Q/kT(5)式中:Q——松弛过程的激活能;A——常数;T——温度,K;k——波兹曼常数,8.6×10-5?eV·K-1。将(5)式两边取对数,得ln?υs=ln?A−Qk⋅1T(6)A-Qk⋅1Τ(6)以ln?υs−1Tυs-1Τ作图得一直线,直线的斜率m=−Qkm=-Qk。由该指数方程可知,试验温度越高,材料的松弛率越大;另一方面,激活能Q值越大的材料,其松弛率将越小。这表明,合金元素Cr、Si、Ni、W、Nb、V等的适量加入将使Q值增大,故碳素钢的松弛率大于低合金钢,后者的松弛率又大于奥氏体镍铬不锈钢等。当试验温度较高时,上述规律性的变化尤其明显。2料或制品的金相组织状态稳定化处理的目的就是改善和稳定材料或制品的金相组织状态、力学性能和形状尺寸。主要技术有低温热处理、预应力处理和稳定化处理等,分述如下。2.1对材料力学性能的影响低温热处理即LowerTemperatureHeatTreatment,缩写为LTHT。对于金属制品(特别是冷拔强化的高碳钢丝)它包括3方面内容:一是消除其内应力,故通常称为去应力退火(StressRelieving),工厂俗称低温回火;二是发生应变时效(StrainAging)现象;三是定形处理。LTHT工艺的主要参数是加热温度和时间。温度对冷拔弹簧材料中的内应力、力学性能及应力松弛率的影响见图2。其中图2(a)为消除内应力曲线;图2(b)、(c)为拉伸性能的变化曲线;图2(d)为在不同初始应力(σ0)条件下松弛率的变化规律。图2(a)表明,处理温度升高时,内应力消除越多,但不能彻底消除,否则将严重影响材料的各项力学性能。图2(b)、(c)说明了这个问题。当LTHT温度由室温上升到200℃以下时,冷拔钢丝的强度指标(σb、HB、σ0.2、…、σe等)由缓慢变化后到100℃左右时开始急剧上升,200~300℃时达到峰值。应注意到,在室温下它的σb很高,但微塑性变形抗力指标(σs及σe等)较低,即屈强比低;在200~350℃处理后,其σb仍保持冷拔状态时的水平,甚至超过该水平;而σs和σe的值仍远高于它在冷拔态的水平,甚至能维持到450~500℃,其值与冷拔态持平。这是获得高强度冷拔钢丝制品的鲜明特点。在获得高强度的同时,获得较好的塑性指标和扭转性能,而且又有更好的抗松弛性能,见图2(d)。图2反映的变化规律是由于冷塑性变形材料的恢复过程和应变时效过程相互作用的结果。其中恢复过程是逐步消除内应力(弹性应力),使塑性、韧性得到一定的改善;而应变时效过程则是碳等原子从形变铁素体内部逐步沉淀析出弥散碳化物的结果。在LTHT温度范围内正是铅淬冷拔材料内部发生了恢复软化和应变时效强化两因素相互作用的结果。显然,在适当温度范围内应变时效(人工加热)强化占优势;如处理温度过高时,由于恢复特别是再结晶过程的开始,使材料趋向平衡状态,内应力被彻底消除,使材料的组织和性能恢复到退火态水平。图3表示Ⅱa组(与c组相近)冷拔钢丝经400℃及450℃?LTHT后的金相组织的变化,其中a、b为OM组织;c、d为相应的TEM照片。由该组照片可看出,400℃处理时的OM及TEM组织仍保持冷拔态时的组织和亚结构,由于内应力的大部分消除,滑移线变得相当平直;450℃处理时的OM组织(b)和(a)照片相似,有区别,但不清楚,而其TEM照片中能清晰地看到铁素体的再结晶(由条带变成白色团块状,如箭头所示)。由此证明,LTHT温度的选择不应低于200℃,最高不得超过420℃。因为低于200℃时应变时效强化作用不明显;高于450℃时由于再结晶发生,使冷变形材料的强度急剧下降。还应指出,LTHT处理结合定形处理可使材料或制品的形状和尺寸稳定,对于保证材料的伸直性和弹性元件的尺寸、形状稳定都有重要意义。2.2预应力管道自适应压缩压法生产汽车用弹簧钢筋混凝土构件和弹性元件在工作时承受的应力状态比较复杂,特别需要降低关键部位的拉应力(对螺旋弹簧而言是切应力)水平,主要技术之一就是采用预应力处理,它能改善其应力分布状态,达到提高构件或元件使用寿命的目的。土建工程中的PC钢丝和钢棒等产品就是经过张应力处理的材料;在弹簧行业生产中就有强压处理(适于各种压缩螺旋弹簧)、强弯处理(适于片簧或板簧)、强扭处理(适于扭杆弹簧及螺旋扭转弹簧);对于蜗卷弹簧及盘簧则采用缠紧处理等。预应力处理方法除强拉(张力)法外,在弹簧生产中常见的有立定处理[一次或多次立定,快速立定处理(以秒计),固定法立定(处理时间长达24h以上)]。在室温下进行的称为冷强压,在加热状态下进行的称为热强压处理(HotPrestressing)。此外,还有工频或脉冲电强压处理。其中以热强压处理使用最普遍,对改善弹簧的抗松弛性能效果更显著。目前国内外都采用连续热强压生产线来生产汽车用阀门弹簧。采用工频和脉冲电接触加热强压处理也获得良好效果。我们的发明专利(专利号:86106929.3)“螺旋压缩弹簧电脉冲强压松弛处理新技术”于1992年底授权,随后转化为生产设备(DQY专机)连续生产线,它有自动送料装置及排料装置、液压加压和冷却系统,并采用微机控制。两套电源和控制系统在该专机上既可进行工频电热强压处理,也可进行脉冲电强压处理。2.3ps改性的生产LTHT是提高冷拔高强度钢丝力学性能的一项基础技术,PS处理是利用力学、热学和电磁学原理改善和稳定其组织和性能的复合技术,它是LTHT技术的必然发展。钢丝(棒)生产不像弹簧或弹性元件那样可以逐个进行PS处理,它是规模性和连续性生产,能否将上述LTHT和PS处理,甚至将成形、矫直和表面处理(如镀锌或镀铜等)都集中在一条生产线上完成?这就是钢丝的稳定化处理。所以,LTHT、PS处理和稳定化处理的本质相同,只不过后者的技术含量更高而已。据资料介绍,我国金属制品行业从国外引进的钢丝稳定化处理生产线(WireStabilizingLine)已有几十条,最近国内开发的也有十几条。例如,1987年天津预一的“张力中频回火机组”1被国家计委评为国家重点推广项目,已列为优选成熟项目。它已达到了世界上同类装备中比较先进的水平。各生产线装备各有特点或优缺点,但其工艺原理和工序安排基本相同。(1)热压及脉冲热电pc对冷拔丝稳定组织和性能的影响它是冷拔钢丝稳定化处理的核心内容。加热方法有所不同,如直接电加热方式可以是中频感应电流加热、卡电(接触)加热(其中又可分为工频和脉冲电流加热两种);间接加热方式有铅浴加热或其他辐射加热法等等。显然,感应电流加热和工频或电脉冲加热速度快,这非常有利于钢丝的连续线生产的顺利实施。感应加热只适于直径较粗(>>4mm)的钢丝。铅浴加热方式不如前者先进(铅蒸气等污染是其缺点)。LTHT的温度与时间的选择是一个主要工艺问题,因为它的加热时间太短(以秒计),和前述的去应力退火温度和保温时间(一般以分计)的选择有很大区别。为了获得相同或类似的稳定组织和性能,就必须适当提高其处理温度。例如,从意大利引进的钢丝稳定化生产线的数据为350~400℃,这完全符合上述LTHT的选择原则。20世纪80年代我们对冷拔钢丝(Ⅱa组)绕制的纺织摇架弹簧(丝径>2.5mm)经过冷强压、普通热强压、热磁强压、工频电强压及脉冲电强压后,发现它们在改善其松弛性能方面均有明显效果,其中,普通热强压(HotPrestressing)使材料的松弛率(υs)降低非常显著,其次是工频电热强压。热磁强压和脉冲电热强压可使冷拔钢丝的松弛率达到更小,甚至可达到υs→0的理想水平。冷拔钢丝(Ⅱa组)经合适的脉冲电热(PC)处理后的比较理想的亚结构如图4a所示。它和图3c相似,黑白交替条带状相当清晰、平直,这表明弹性内应力的消除;位错通过滑移或攀移形成位错墙,它们大体上与滑移线垂直分布,表明了可动位错数目的减少,形成类似动态恢复过程的亚结构,这种亚结构的稳定性较高,故它有优异的抗松弛性能。如选用脉冲电流过大时,则其亚结构组织(见图4b)明显紊乱,出现了类似图3d的组织特征。这表明处理温度过高(因为电热Q∝I2),即脉冲电流过大,即使是通电时间只有5s,仍然使钢丝过热,导致了失效。所以,无论是LTHT、PC处理还是稳定化处理,冷拔高强度钢丝的处理温度必须低于其再结晶开始温度(T再)。对于深度冷变形钢丝,其处理温度应低于450℃。(2)轮盘装置张力水平的选择钢丝在LTHT时加上张力(P),变成PS-LTHT工艺,在连续生产线上有一套加负荷装置(张力装置),即前、后各有一套用直流电机同步传动(带测速器等)的轮盘装置,后装置的转速略高于前装置,从而使钢丝获得所需的张力。张力水平应遵循的原则是:使钢丝内产生微塑性变形,即拉应力应稍超过其微塑性变形抗力指标(σ0.2)。由于脉冲电热(PC)处理可在室温或LTHT温度下进行,上述张力水平的选择稍有不同。由于PS处理是快速加热,处理时间也同样成为重要的工艺参数。钢丝通过定温定时加热后,紧接着是冷却及吹干装置。快冷的目的是使钢丝表面形成有益的压应力,这有利于提高钢丝的使用寿命。(3)连续生产线的设备组成对于压痕和麻花螺旋状钢丝应设冷轧或冷拉装置,对于光面钢丝有矫直机构。这类设备均安放在LTHT设备之前。应当