材料弹塑阶段性质及残余应力的测定

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1、材料弹塑阶段性质及残余应力的测定关雪涛苏铮铮张莉何琳北京工业大学000112班指导教师：张亦良摘要本文报导了由普通碳钢构成的四点弯曲梁试件，在加、卸载过程中弹性、塑性阶段应力应变的全过程及塑性变形后表面的残余应力状况。通过弯曲梁正反两面粘贴电阻应变片，详细记录了加、卸载过程中弹塑性的应力应变曲线，特别是记录了梁进入塑性阶段初期并形成塑性铰的过程，得到了弹塑性泊松比曲线。结果发现，材料泊松比并不是常量，在弹性阶段近似为0.3左右，而进入塑性以后，数值不断增大，最终为0.5左右。卸载后，梁出现了不可恢复的塑性变形，用X射线法测

2、量了试件两面的残余应力，与弹塑性理论解基本相符。研究了加工应力沿深度的分布，为准确测定表面残余应力提供了实验依据。关键词：弹塑性应力；残余应力；X射线法；泊松比一、引言在工程中，多数材料用于弹性范围。但是，就钢材这类塑性材料而言，其塑性性能很好，在弹性以外，仍有广阔用途，如塑性加工、锻造成型等等。对于横截面应力非均匀分布的塑性材料杆件，当危险点应力达到屈服极限时，并未丧失工作能力，按塑性极限法设计，可提高承载能力，节省原材料，在建筑行业中已得到广泛应用。这就是说，我们不可避免的要接触到材料在弹塑性区域的性质。在压力容器行业

3、中，所应用的球罐都是由冷加工成型的，事先压成瓜片，再由焊接而成。由于材料的塑性变形，不可避免的带来残余应力。而如何计算残余应力、找出残余应力的最大值，是至关重要的。因为残余应力与工作应力叠加，才是容器真正的应力。容器应力水平的大小与评估，对于设备的安全运行来说十分重要。在我们材料力学的学习中，关于塑性区及残余应力的内容介绍很少。为了能更好地研究并了解材料在这一区间的性质，以及当材料发生塑性变形后的特性，我们选择了“弹塑性应力及电测法的综合实验”这样一个综合性较强的实验。通过这个实验，希望能在我们并不熟悉的领域里发现一些现象

4、，解决一些有关于工程实际的问题。同时我们也希望能通过这个实验锻炼我们独立思考和动手能力，因为指导老师曾多次告诉我们这个实验有一定难度，由于是破坏实验，难以重复，因此在加载时要十分小心。因此我们进行了大量的准备工作，进行了计算并制定了加载方案，以保证实验的成功进行。二、纯弯曲梁残余应力的理论分析模型2.1弹性阶段σ=σ纯弯曲梁加载时，横截面应力关系为：maxsMY-σ=，当：σ=σ时，maxSM=MIeZ梁表面进入屈服状态，弯矩为弹性极限弯矩：+M=W×σeZS2.2屈服阶段σ=σs梁继续加载，整个截面全部屈服：-M=Mu=

5、1.5Me各点：σ=σS+弯矩为塑性极限弯矩：M=1.5Mue梁出现塑性铰。2.3卸载M'=M=1.5Mue卸载相当于加反弯矩，应力按弹性规律：+−M'yσ'=IZ-−M=1.5Mue−M'−1.5MZσ'===−1.5σSWWZZ2.4卸载完毕+载荷为0，梁产生不恢复的塑性变形，M=0-残余应力为加，卸载应力之和：+σ'=σ+σ'maxmaxmax-=σ−1.5σ=−0.5σSSS由此得出结论：残余应力产生时由于：1）梁横截面应力分布不均匀；2）梁产生不可恢复的塑性变形。残余应力的方向与原加载应力方向相反。三、实验方案设

6、计3.1实验目的利用电测法测量材料在不同阶段的性能及其表面残余应力情况。3.2研究内容测定材料弹塑性阶段应力应变情况、探讨泊松比μ在弹塑性阶段的变化、测定表面残余应力、磁记忆法测应力集中。3.3实验装置DH3818型静态数字应变仪、测力仪、加载小车、抛光机、《X-95型》X射线应力测试仪。见图1。图1.X射线应力测试仪3.4试件尺寸及贴片方案试件尺寸见图2，贴片方案见图3。1、3片贴在试件的中心，测量其纵向应变，2、4、5片测量其横向应变，同时可测泊松比。P/2P/25.540804030.1图2试件尺寸12贴片方案：43

7、5图3试件贴片方案3.5试件加载方案已知材料为：Q235屈服极限：σs=235MPa22计算：M=Wσ=bhσ/6=30.1×5.5×235/6=35662.2N⋅mmeZSS2M=Wσ=bhσ/4=1.5×M=1.5×35662.2=53493.3N⋅mm，M=Pl/8uuSSemax取：P=8M/l=8M/160=1783N，P=8M/l=8M/160=2674Neeeuuu选择：P=100N、∆P=200N进行加载。0加载过程中，时时记录1、2、3、4、5应变片的载荷-应变值，弹性阶段，以应力为参考值，观察其变化规律

8、。当材料进入屈服阶段后，在载荷变化量很小的情况下，应变量很大，为了更清楚地研究其在屈服阶段的性质，选择以应变为参考值进行记录。本次实验中，当载荷到达1468N后，以Δε=50µε进行加载记录，直到全部进入塑性变形为止。卸载过程中，应为弹性变形，同样记录各应变片的载荷-应变值，以观察其卸载规律。3.6残余