材料的内应力

什么是材料的内应力？

所谓内应力，是在没有外力的条件下平衡于材料内部的应力。这种应力存在于许多工程结构及材料中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构，快速冷却的钢铁材料等。

内应力按其分布范围可分为三类:第一类内应力，它在较大的范围内平衡，这个范围大小可以与物体尺寸来比量，故称之为宏观内应力。第二类内应力，它的平衡范围大小可以与晶粒尺寸来比量。第三类内应力，它的平衡范围更小，其大小可与晶格尺寸来比量。

内应力按其产生原因可分为温度应力和残余应力等几种。

(一)温度应力(热应力)

温度应力是由于构件受热不均匀引起的。下面举一个简单例子来说明。

图1 金属框架

图1是一个中间有两个矩形孔的金属框架，当只对框架的中心杆件加热时，该杆会因受热而发生膨胀，但两侧杆件的温度保持不变，长度也保持不变，中间杆因膨胀伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由地进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。

两侧杆在对抗中心杆件膨胀伸长的同时，受到中心杆件的反作用而产生拉应力。这种应力是在没有外力作用下出现的，且拉应力与压应力在框架中的合力为零，互相平衡，就构成了内应力。

因为这是由于不均匀温度造成的，所以称之为温度应力或热应力。如果温度应力不高(低于材料的屈服极限)，在框架里不产生塑性变形;那么，当框架的温度均匀化以后，热应力亦随之消失。

热应力比较广泛地出现在各种温度不均匀的工程结构中，如化工反应容器、热交换器、飞行器等。

(二)残余应力

如果不均匀加热所造成的内应力达到材料的屈服限，使材料的局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中的，故称之为残余应力。

以图1的金属框架为例说明。如果中心杆件加热产生的压应力达到材料的屈服限，中间杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时，若任其自由收缩，那么它的长度必然要比初始时短。这个差值就是中心杆件的压缩塑性变形量。实际上，框架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧杆件本身，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力。

图2 淬火开裂

金属在相变时如淬火发生的马氏体相变，材料比容会变化，也就是说其尺寸有所变化。

钢铁的奥氏体、珠光体、贝氏体及马氏体，比容依次增大。

钢铁淬火时，从奥氏体组织转变为马氏体组织，而钢铁组织中奥氏体比容最小，马氏体比容最大。所以淬火时奥氏体转变为马氏体，将发生显著的体积膨胀。

当试样淬火完成时，心部受压应力，表层受拉应力。这与淬火时的热应力刚好相反。

当温度恢复到室温状态后，如果相变的产物还保留下来，那么这个金属材料里就产生相变应力。它也是残余应力的一种。

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