应力松弛

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应力松驰(stress relaxation)是指构件总变形(弹性变形和塑性变形)保持不变,徐蠕变使塑性变形不断增加,弹性变形相应减少,而应力随时间缓慢降低的现象。它往往会带来不利影响,如高压蒸汽管道中,法兰紧固螺栓的锁紧力可能随时间降低,故每隔一段时间需拧紧一次,以防漏气。 [1] 
中文名
应力松驰
外文名
stress relaxation
定    义
总变形保持,应力减小
易发部件
螺栓
一级学科
力学
二级学科
结构力学

应力松弛定义

钢筋等构件受到一定的张拉力后,在长度保持不变的条件下,钢管的应力随着时间的增长而降低的现象;产生应力松弛的原因:主要是由于金属内部错位运动使一部分弹性变形转化为塑性变形而引起;减少松弛损失的主要措施:1)采用低松弛钢绞线或钢丝; 2)采用超张拉程序。 [2] 

应力松弛具体介绍

图1 图1
材料在高温使用时,有时要使总应变保持不变。在高温保证总应变不变的情况下,会发生应力随着时间延长逐渐降低的现象.该现象叫应力松弛(stress relaxation),如图1所示。例如,高温条件工作的紧固螺栓和弹簧会发生应力松弛现象。
材料的总应变ε包括弹性应变εe塑性应变εp,即ε=εep=常数。
随着时间增长,一部分弹性变形逐步转变为塑性变形,材料受到的应力相应地逐渐降低。εe的减小与εp的增加是同时等量产生的。
蠕变与应力松弛在本质上相同,可以把应力松弛看作是应力不断降低的“多级”蠕变。蠕变抗力高的材料,其抵抗应力松弛的能力也高。但是,目前使用蠕变数据来估算应力松弛数据还是很困难的。某些材料即使在室温下也会发生非常缓慢的应力松弛现象,在高温下这种现象更加明显。松弛现象在工业设备的零件中是较为普遍存在的。例如,高温管道接头螺栓需定期拧紧,以免因应力松弛而发生泄漏事故。 [3] 

应力松弛数学表达

应力松弛是在应变恒定时,应力随时间的推移而逐渐衰减的现象。
加载数学表达式:
响应数学表达式:
图2 图2
式中:H为Heaviside函数;Y为松弛模量,即单位应变作用下 t 时刻应力值。
如图2所示,在t0~t1时间内,ε=ε0应力作用下,应力从σ0减少到σ1,材料发生应力松弛现象;在t=t1时,卸载为ε=0,应力发生突变,在σ1发生瞬时回弹到σ2;在t >t1 时,材料应力逐渐消除,随着时间的变化逐渐趋近于零,该现象为应力消除 [4] 

应力松弛应力松弛试验

应力松弛试验是材料机械性能试验的一种。应力松弛现象在室温下进行得很慢,但随着温度的升高就变得很显著,故在机械设计中必须加以重视。
应力松弛试验一般采用圆柱形试样,在一定的温度下进行拉伸加载,以后随着时间的推移,由自动减载机构卸掉部分载荷以保持总变形量不变,测定应力随时间的降低值,即可绘出松弛曲线。也可以采用具有等强度半圆环的环形试样进行松弛试验,测定环形试样缺口处宽度的变化来计算应力降低的数值并画出松弛曲线。
以压力和时间t为坐标的应力松弛曲线可分为两个部分,分别代表两个不同的松弛阶段。在第Ⅰ阶段内,应力随时间的增长而急剧降低;在第Ⅱ阶段内,降低的速度减慢,最后趋于稳定。半对数坐标 (lgσ-t)的应力松弛曲线中,第Ⅱ阶段呈线性关系,因此可用以进行外推,即由较短时间的试验外推求得较长时间后的剩余应力。
受相同的试验温度和初应力F,经相同的时间后,如剩余应力越高,则材料的抗松弛性能越好。高温工作中的零件由于存在应力松弛,会不同程度地丧失弹性和紧固作用。因此对用于高温的紧固件如弹簧、螺栓等的材料,需要测定松弛性能。 [1] 
参考资料
  • 1.    河海大学《水利大辞典》编辑修订委员会编,水利大辞典,上海辞书出版社,2015.10,第83页
  • 2.    丁红岩主编;张浦阳副主编,土木工程施工 上册,天津大学出版社,2015.02,第352页
  • 3.    乔生儒,张程煜,王泓主编,材料的力学性能,西北工业大学出版社,2015.07,第190页
  • 4.    林思南著,铺设沥青甲板面的大型浮式码头力学响应研究=RESEARCH ON MECHANICAL RESPONSE CHARACTERISTICS OF LARGE FLOATING PIER WITH ASPHALT PAVEMENT DECK,国防工业出版社,2015.08,第33页