《殘余應力基礎理論及應用》一書共分7章。第1章系統闡述了殘余應力的產生機理,并說明了殘余應力的影響;第2章詳細介紹了磁測法、超聲波法、X射線法和中子衍射法等殘余應力無損檢測技術;第3章介紹了小孔法、深孔法、切槽法和云紋干涉法等殘余應力有損檢測技術;第4章通過各種實例,說明了工程檢測特點;第5章介紹了殘余應力的調控與消除方法;第6章介紹了各向異性材料殘余應力;第7章結合殘余應力的具體工程應用實例,對預拉伸板、噴丸成形、表面強化等殘余應力加以分析,闡述了殘余應力的重要作用,并分析了殘余應力對裂紋萌生和擴展的影響。全書理論、實驗與應用并重,宏觀和微觀相結合,既注重理論體系的完整性,又注重工程實際的應用性,其中介紹的典型零件涵蓋了航空、汽車、核電、軌交、橋梁和化工等領域。本書是一部近年來有關殘余應力研究的很好的總結,也是一部實用性較強的專業(yè)技術工具書。
本書可供從事材料、熱處理、表面工程、交通、航空航天、機械專業(yè)的技術人員與科研人員參考閱讀,也可作為高等院校相關專業(yè)師生的參考書。
《殘余應力基礎理論及應用》的著作特色和出版價值如下:
1. 研究系統、深入。經調研,該書系國內首部系統、全面、科學地研究殘余應力基礎理論及應用的學術專著。其他同類書有一些,但或者關于殘余應力檢測技術,或者關于計算,或關于應用,僅僅是殘余應力研究的某個側面。
2. 著述脈絡清晰,內容詳實。全書理論、實驗與應用并重,宏觀和微觀相結合,其中介紹的典型零件涵蓋航空、汽車、核電、軌交、橋梁和化工等領域,可供廣大科研人員參考。
3. 涉及話題既基礎、實用又前沿。材料是基礎、設計是關鍵、制造是保障,有關工程材料的研究特別是材料中殘余應力的研究,是中國制造的原動力。
4. 作者科研和著述水準交稿。作者同濟大學航空航天與力學學院高玉魁教授,長期潛心于疲勞性能和殘余應力的研究,一直從事航空航天關鍵零部件定壽與延壽方面的科研和教學工作;2014年出版專著《表面完整性理論及應用》,獲批國家出版基金項目資助。
5. 著作寫作目標清晰,作者愿望強烈。殘余應力對于機器零件制造具有重要作用。作者撰寫本書的主要目的就是加強大家對殘余應力重要性的認識和對殘余應力研究與應用的重視。本書的出版,對我國成為制造業(yè)強國必將起一定作用。
殘余應力是影響材料和零部件變形、疲勞、應力腐蝕的重要因素。搞清楚殘余應力的產生機理,準確表征其數值和分布情況,弄明白殘余應力的作用機制和應用領域,并在此基礎上對殘余應力進行適宜的調控,這不僅是材料、力學、熱處理、表面工程等多方面的學者進行研究所關注的重要科學問題,而且也是工程師、設計師在實際應用殘余應力來計算壽命和制造維修時經常面臨的關鍵技術問題。
中國制造已從原來以圖紙形狀導向為主的仿形加工成形制造控形制造,轉向了以使役性能導向為主的控性制造?匦灾圃熘饕强刂票砻嫱暾裕鴼堄鄳κ潜砻嫱暾灾兄匾牧W參數。
材料是基礎、設計是關鍵、制造是保障,這是航空領域對設計、材料和制造的定位和認識。制造強國的核心是要有創(chuàng)新自主的知識和技術,尤其是核心的關鍵技術。這些技術都是國家的根本利益和屬于機密性的文件,是買不來的,所以對于核心的技術我們只能自主研制和研發(fā),如航空發(fā)動機核心零部件的制造技術和飛機關鍵零部件的長壽命表面完整性制造,再如高性能高集成度的芯片制造技術。制造技術不只是工藝的操作和工藝參數域的確定,還有制造機理和制造工藝與性能、功能相關性的認識和研究,我們往往側重前者而對后者的重視不夠,這導致了很多問題的出現,如制造中的變形與可靠性差、壽命短和性能沒法達到預期的目標等。表面完整性中的殘余應力是決定零部件使役性能的關鍵因素,因此加強和加深對殘余應力的研究和認識,重視其重要作用并控制調整其狀態(tài)和分布,是非常重要和有意義的。
本書從殘余應力的定義入手,首先闡述了殘余應力的產生機理,其次對測試表征方法和作用機制進行了分析,在此基礎上重點介紹了殘余應力的調控技術和工程應用等各個方面,尤其是給出了復合材料、單晶材料等新型各向異性材料和零部件的殘余應力測試方法。通常人們總是認為殘余應力是有害的,它會導致零部件變形和開裂。本書結合航空工業(yè)的案例,從調控殘余應力角度闡述了殘余應力也是很有利的,如采用噴丸在表層引入殘余壓應力來提高疲勞性能,再如鋁合金的預拉伸板去除殘余應力和采用噴丸成形來制造飛機機翼等,這些都是殘余應力工程應用的實際典型代表案例。
本書對于從事殘余應力相關工作的科研人員和設計師、工程師具有重要的參考價值,也可以作為高等院校相關專業(yè)本科生和研究生教材使用。為便于學生和工程師實際操作來測試殘余應力,本書附錄給出了X射線殘余應力的測試步驟。為方便大家查閱術語和相關內容,還在本書最后給出了索引。
20余年我之所以能夠專心于殘余應力的鉆研和探索,得助于恩師燕山大學教授姚枚先生一直以來給予的鼓勵和關愛,得助于家庭的理解和大力支持。感謝姚枚教授能夠帶領我進入殘余應力領域和欣然提筆為本書作序;感謝國家自然科學基金項目(1132226)、國家973計劃(2010CB833105)、國防973項目(6138503)、大飛機項目和航空科學基金項目等給予的資助;感謝我的研究生們特別是葉璋碩士和陶雪菲博士,他們對本書初稿進行了整理和修改。
本書出版的主要目的是加強大家對殘余應力重要性的認識和對殘余應力研究與應用的重視。因著者的水平和能力有限,書中難免存在一些錯誤和不當之處,謹請讀者批評指正。
2019年3月4日于同濟大學
高玉魁,男,同濟大學航空航天與力學學院教授、博士生導師,主要從事航空航天先進材料表層改性及疲勞斷裂研究。其學術兼職有:中國機械工程學會熱處理分會理事,中國機械工程學會表面工程分會委員,中國標準委員會委員,中國有色金屬學會第七屆理化檢驗學術委員會委員,《中國表面工程》《材料熱處理學報》《金屬熱處理》《表面技術》等期刊編委。主持多項國家重點科研項目工作,如激光沖擊作用下金屬材料殘余應力場的響應規(guī)律和強化效應、TWIP鋼軋制過程組織及殘余應力演化規(guī)律研究、鋯合金氧化前噴丸預處理和氧化后致密化處理試驗等。曾獲中國航空工業(yè)集團公司科技進步三等獎(排名第1,2011年)、河北省科技進步三等獎(排名第2,2012年)、熱處理學會周志宏青年科技成就獎(2015年)等。
符號表Ⅰ
第1章緒論1
1.1內應力分類1
1.1.1宏觀內應力1
1.1.2微觀內應力2
1.2工程中常見的殘余應力3
1.2.1焊接殘余應力3
1.2.2鑄造殘余應力5
1.2.3切削殘余應力7
1.2.4磨削殘余應力8
1.2.5熱處理殘余應力9
1.2.6薄膜殘余應力10
1.2.7涂層殘余應力12
1.3殘余應力的影響15
1.3.1殘余應力對變形的影響15
1.3.2殘余應力對尺寸穩(wěn)定性的影響18
1.3.3殘余應力對加工精度的影響19
1.3.4殘余應力對疲勞性能的影響19
1.3.5殘余應力對脆性斷裂的影響43
1.3.6殘余應力對應力腐蝕開裂的影響45
1.3.7殘余應力對硬度的影響46
1.4殘余應力檢測技術概況48
參考文獻48
第2章殘余應力無損檢測技術51
2.1納米壓痕技術51
2.1.1納米壓痕技術的理論方法51
2.1.2納米壓痕技術檢測原理54
2.2拉曼光譜技術62
2.2.1拉曼光譜技術的產生62
2.2.2拉曼光譜的特點63
2.2.3拉曼光譜技術種類63
2.2.4拉曼光譜技術檢測原理65
2.3磁測技術65
2.3.1磁記憶檢測技術65
2.3.2磁噪聲技術68
2.3.3磁應變技術69
2.3.4磁聲發(fā)射技術71
2.4超聲波技術74
2.4.1超聲波技術檢測殘余應力的特點74
2.4.2超聲波技術檢測殘余應力的發(fā)展現狀74
2.4.3超聲波技術檢測原理76
2.4.4超聲波應力檢測系統78
2.5掃描電子聲顯微鏡79
2.5.1掃描電子聲顯微鏡檢測原理79
2.5.2掃描電子聲系統80
2.6X射線衍射技術81
2.6.1布拉格定律81
2.6.2X射線衍射檢測原理81
2.6.3X射線衍射技術檢測殘余應力的特點84
2.7中子衍射技術85
2.7.1中子衍射技術殘余應力分析發(fā)展現狀85
2.7.2中子衍射技術檢測原理85
2.7.3中子衍射技術檢測殘余應力的特點86
2.8曲率法檢測技術87
2.8.1曲率法檢測薄膜應力87
2.8.2曲率法檢測涂層殘余應力88
參考文獻89
第3章殘余應力有損檢測技術96
3.1機械法96
3.1.1小孔釋放技術96
3.1.2深孔技術100
3.1.3環(huán)芯技術102
3.1.4剝層技術104
3.1.5切槽法107
3.2云紋干涉技術109
3.2.1云紋干涉的光柵技術110
3.2.2云紋干涉技術的檢測原理111
3.2.3云紋干涉技術的實驗方法113
3.2.4云紋干涉法的發(fā)展116
參考文獻118
第4章殘余應力檢測技術的應用120
4.1無損檢測技術的應用120
4.1.1納米壓痕技術的應用120
4.1.2拉曼光譜技術的應用125
4.1.3磁測技術的應用128
4.1.4超聲技術的應用131
4.1.5X射線衍射技術的應用135
4.1.6中子衍射技術的應用139
4.2有損檢測技術的應用142
4.2.1盲孔檢測技術的應用142
4.2.2環(huán)芯檢測技術的應用146
4.2.3云紋干涉技術的應用149
參考文獻152
第5章殘余應力的調控與消除156
5.1時效法156
5.1.1自然時效156
5.1.2熱處理時效158
5.1.3振動時效160
5.2機械法164
5.2.1錘擊164
5.2.2過載處理166
5.3爆炸法168
5.3.1爆炸法的原理168
5.3.2爆炸法的工藝設計169
5.3.3爆炸法的特點及優(yōu)勢171
5.3.4爆炸法對材料性能的影響172
5.3.5爆炸法應用實例173
5.4超聲沖擊技術175
5.4.1超聲沖擊技術的原理176
5.4.2超聲沖擊的設備及效果177
5.4.3超聲沖擊技術的工藝178
5.4.4超聲沖擊技術的優(yōu)點179
5.4.5超聲波消除焊接殘余應力的效果179
5.5噴丸強化法180
5.5.1噴丸原理180
5.5.2鋯合金噴丸實例182
5.6激光沖擊法185
5.6.1激光沖擊原理185
5.6.2GH742激光沖擊實例186
5.7孔擠壓強化法190
5.7.1孔擠壓原理190
5.7.2300M超高強度鋼孔擠壓實例190
參考文獻194
第6章各向異性材料殘余應力197
6.1正交各向異性材料197
6.1.1M12C復合材料性能198
6.1.2M12C復合材料殘余應力檢測實驗199
6.2帶織構材料205
6.2.1AA2397鋁鋰合金性能205
6.2.2AA2397鋁鋰合金殘余應力檢測實驗205
6.3單晶材料213
6.3.1理論分析與實驗方法213
6.3.2實驗結果與討論215
參考文獻217
第7章殘余應力在工程中的應用219
7.1航空領域219
7.1.1航空發(fā)動機鈦合金葉片219
7.1.2主起落架上轉軸224
7.1.3GH4169渦輪盤229
7.1.4鋁合金噴丸成形239
7.1.56061鋁合金預拉伸板244
7.2汽車領域247
7.2.1汽車驅動橋殼247
7.2.2汽車發(fā)動機氣門彈簧250
7.3核電領域253
7.3.1反應堆壓力容器頂蓋J型接頭253
7.3.2大型核電厚壁結構256
7.4軌道交通領域259
7.4.1高速列車車體鋁合金259
7.4.2軌道交通車輛鋁合金地板262
7.5橋梁領域265
7.5.1觀音巖大橋構件焊縫應力測試265
7.5.2超聲波沖擊消除鋼結構橋梁焊接殘余應力268
7.6化工領域273
7.6.1P110級石油套管淬火殘余應力273
7.6.2管道熱開孔殘余應力276
參考文獻280
附錄X射線衍射殘余應力測試步驟283
索引324