不锈钢焊管由于塑性变形而产生的残余应力

任何物体受到外力作用而变形时,其内部质点的相对位置都要发生变化,与此同时,质点间的相互作用力也发生了变化,这是产生残余应力的根本原因。不锈钢板材在成型过程中要经历弹性变形阶段和弹性—塑性变形阶段。在弹性变形阶段,质点的相对位置变化量未超出其自身平衡位置的极限,不锈钢材料服从虎克定律:=E;—应力;E—弹性模量;—材料应变。外力与由此而产生的材料的内应力相平衡,当外力消失时,弹性变形随之消失,材料的内应力也随之消失,弹性—塑性阶段则不然,在这一阶段,质点已超出平衡位置极限,在新的位置上重新处于稳定状态,这时如果外力消失,变形量不能完全消失,而只是恢复其弹性变形部分,塑性变形保留下来,内应力也不完全消失,部分地残存在材料内(残余应力)。焊管的成型可以当作纯弯曲塑性变形过程来分析。从断面看,其上层由于受到拉应力作用而产生塑性变形,而下层由于受到压应力作用亦产生塑性变形,中性层是弹性变形区,如图1所示。

在弹性变形阶段,断面上任何一点A的线应变:=Y/—断面上任一点的纵向线应变;Y—A点所在层上纤维距中性层的距离;—中性层上的纤维在变形后的曲率半径。由上式可以看出,在不锈钢焊管口径相同的情况下,不锈钢板材越厚,距中性层越远处,其线应变越大;在同样壁厚情况下,不锈钢焊管口径越小,线应变越大。在这种塑性弯曲状态下,去掉外力后,虽有少量的变形(弹性变形部分)可以恢复,而塑性变形部分不能恢复,去掉外力后,在材料断面上的应力分布如图2所示,这种内应力呈现出上面是压缩,其下是拉伸,再下是压缩,最下是拉伸的分布情况。

不锈钢焊管塑性变形产生的内应力与外力的关系目前还不能准确地用一公式直接表示出来,一般采用机械测定法或X射线测定法进行实际测定,而对内应力的测定又不象对普通应力测定那样简单,因为内应力的产生必定伴随着应变硬化和淬火硬化等材质的变化,要把两者分开是有困难的。有的文献指出,使不锈钢焊管塑性变形时所施加的能量,约有10%～15%转化为内应力弹性能。