溫度改變時，物體由于外在約束以及內部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力。又稱變溫應力。

中文名：熱應力；別稱：溫應力；定義：物體不能自由脹縮而產生的應力

1基本概念

求解熱應力，既要確定溫度場，又要確定位移、應變和應力場。與時間無關的溫度場稱定常溫度場,它引起定常熱應力;隨時間變化的溫度場叫非定常溫度場，它引起非定常熱應力。熱應力的求解步驟：①由熱傳導方程和邊界條件（求非定常溫度場還須初始條件）求出溫度分布；②再由熱彈性力學方程求出位移和應力。

2全面定義

定義1

所謂熱應力是指半成品干燥和燒成熱加工中由于溫差作用而產生的一種應力.熱應力源包括升降溫過程中磚坯內外及磚坯與環境溫差卜，本文定義了彩釉磚板面細小裂紋的隨機性，建立它的力學模型．在此基礎上闡述了它的形成機理和工藝控制。

定義2

(1)熱應力:凡由于在搪玻璃材料中存在溫度差而產生的應力稱為熱應力.(2)制胎成型應力:在鐵胎制造過程中,由于卷板、沖壓、組焊等操作所造成的應力

例如： 質量優良的搪玻璃設備,其瓷層表面不僅要具有玻化程度適當,光滑平整致密,色澤均勻一致以及無棕孔、泡影,外來固體夾雜物,尤其不能有裂紋等缺陷。 但是,事實上,在搪玻璃設備的燒成過程中,常常會出現各種缺陷,其中瓷層裂紋是該廠搪玻璃產品中危害最大的一種缺陷。 一段時間以來,在我廠100ol反應罐蓋的生產過程中,b型小咀r部位和小咀內壁瓷層常出現裂紋,并且裂紋一旦產生,就不能消除,最后只有打瓷返工,造成了大量的人力、物力浪費,并且,嚴重挫傷了工人的生產積極性。

定義3

2熱應力的分類和特性:2·1$應力分類玻璃中由于存在溫度差而產生的應力統稱為熱應力.浮法玻璃在退火過程中不可避免地會出現溫度梯度.根據溫度梯度的方向,玻璃板厚度方向的溫度差所形成的熱應力稱作端面應力或厚度應力

有資料記載：浮法玻璃退火的目的是消除或減小玻璃中的熱應力。本文從熱應力的基本概念出發,分析討論了熱應力的起因、分類和特性,為正確制訂浮法玻璃退火規范提供了理論依據。

定義4

1.2三維熱應力數學模型物體溫度變化時,由于它受其他物體或者由于物體內各部分之間的相互約束而產生的應力,稱為熱應力.引起熱應力的根本原因是溫度變化.根據線性熱應力理論,當物體受外力作用,又受溫度作用時,物體內質點就要發生位移和相應的應變,并且它們可以進行代數迭加

建立了鑄鋼冷卻壁的三維傳熱和熱應力的數學模型,采用通用有限元軟件ansys計算了冷卻壁的溫度場和應力場。計算結果表明:冷卻水管由圓管改為橢圓管后,冷卻壁熱面最高溫度和熱應力升高不大,為冷卻水管由圓形改成橢圓形提供了理論依據,由于橢圓水管截面積減少,就可以減少壁體厚度和大量節約冷卻水量,從而達到降低煉鐵成本的目的。

定義5

從而引起螺栓受力情況的變化通常稱為熱應力.設系統原來溫度為t.現為ti.連桿螺栓的線膨脹系數a.連桿大頭的線膨脹系數為a

利用遙測應變儀對工程過程中的連桿螺栓進行動態測試，并利用自編的螺栓組載荷增分析系統，對實際測定的連桿螺栓動應力時間歷程進行定量分析．確定連桿螺栓的實際受力情況，即所受的靜應力、動應力、熱應力及動應力隨內燃機負荷、轉速等變化而變化的趨勢。該研究為連桿螺栓的改進設計和疲勞強度設計提供了依據．為遙測技術的工程應用提供了依據。

定義6

第一種原因產生的殘余應力被稱為熱應力,第二和第三種原因產生的殘余應力被稱為固有應力.熱應力在蒸發沉積鍍膜中表現很突出,但在離子束或磁控濺射法沉積鍍制的多層膜中表現并不明顯

在極紫外光刻技術中 ,光學系統對多層膜光學元件表面面形精度有嚴格的要求 ,并且多層膜光學元件需要較高的反射率。由于多層膜中存在的內應力將改變光學元件的表面面形 ,因此在不減少反射率的前提下 ,一定要減少或補償多層膜內的殘余應力。論述了mo/si多層膜應力產生的原因和幾種減少與補償應力的技術 ,介紹應力的幾種測量方法。

定義7

火焰加熱對鋼材性能的影響：鋼材加熱膨脹迅速冷卻到低溫收縮所產生的內應力稱為熱應力.當熱應力大于鋼材的彈性極限時會產生變形火焰矯正就是利用熱應力產生變形而得到矯正

擴展受熱面省煤器的應用研究燃煤鍋爐省煤器磨損是鍋爐運行中的一個突出問題，嚴重影響鍋爐的安全性和經濟性。據國內不完全統計，鍋爐事故占火電廠事故的50%左右，其中因省煤器磨損漏泄而停爐的事故占鍋爐事故的45%左右。為了保證鍋爐的安全運行，對于燃煤鍋

定義8

溫度應力又稱為熱應力,它是由于構件受熱不均勻而存在著溫度差異,各處膨脹變形或收縮變形不一致,相互約束而產生的內應力

定義9

(2)熱裂紋模具表面冷熱交替而引起的模具表面壓與拉交替變化的應力稱為熱應力.這種反復循環的熱應力有可能引起模具疲勞產生熱裂紋

定義10

冷卻的過程也是體積減小的過程也會形成內應力一般稱為熱應力.熱應力的大小取決于膠層與被粘材料的熱脹系數之差和溫度變化的幅度.因此高溫固化會增加在冷卻過程中形成的熱應力

分析膠層的粘彈性與固化工藝的關系，指出當固化溫度高于膠層的玻璃化溫度時，粘接強度隨著固化程度的提高而提高；固化溫度低于膠層的玻璃化溫度時，粘接強度隨著固化程度的提高而降低。

3主要特點

1. 熱應力隨約束程度的增大而增大。由于材料的線膨脹系數、彈性模量與泊桑比隨溫度變化而變化，熱應力不僅與溫度變化量有關，而且受初始溫度的影響。

2. 熱應力與零外載相平衡，是由熱變形受約束引起的自平衡應力，在溫度高處發生壓縮，溫度低處發生拉伸形變。

3. 熱應力具有自限性，屈服流動或高溫蠕變可使熱應力降低。對于塑性材料，熱應力不會導致構件斷裂，但交變熱應力有可能導致構件發生疲勞失效或塑性變形累積。

4測定方法

一,實驗目的?

1.了解熱應力實驗裝置的組成,各部分的作用及使用方法;?

2.了解金屬構件在熱循環過程中熱應力的產生原因,過程及分布規律;?

3.熟悉鑄造熱應力對鑄件質量的影響以及減小鑄造熱應力的措施.?

二,實驗內容?

1.在計算機上,利用《鑄造應力》實驗教學課件,了解鑄造應力的分類,形成原因,測定原理,對鑄件質量的影響及采用應力框測定鑄造熱應力的實際過程;?

2.熟悉熱應力實驗裝置的使用方法及熱應力測定的過程;?

3.記錄,處理和分析實驗數據,繪出"應力-溫度"曲線.?

三,實驗裝置簡介?

本實驗所使用的熱應力實驗裝置是一種模擬測定裝置,該裝置由應力框部件,溫控顯示箱和

計算機系統三部分組成.?

1.應力框部件?

這是實驗裝置的核心部件,由應力框,拉壓力傳感器,溫度傳感器,加熱體和冷卻水管路等組成,如圖2-1所示.?

三根直徑相同的應力桿(?A,B,C?)由側支架支撐,組成相互關聯的金屬構架(應力框).

桿?A,C?與支架固定在一起,桿?B?的一端與支架固定,另一端與支架之間可作相對水平移動,只有擰緊螺栓?G?時才被鎖定,此時應力框成為剛性結構,以便進行實驗.松開螺栓時,桿?B?可自由伸縮,三桿間的約束被解除,以此模擬桿?B?在高溫下的塑性變形.加熱體(電阻絲)?R?用于改變應力桿的溫度,以造成三桿間的溫差,從而產生內應力.各桿的溫度變化由溫度傳感器?W?A,W?B,W?C?測定.?拉壓力傳感器?D,E,F?用于測量各桿承受的內應力.桿?A,C?上的拉壓力傳感器的最大量程為2 kN,桿?B?上的拉壓力傳感器的最大量程為5 kN,輸出毫伏級電壓信號.?為保證傳感器本身溫度恒定,采用循環水進行冷卻.?

2.溫度控制顯示箱?

它由溫控儀,穩壓電源及顯示儀表組成,如圖2-2所示.?

溫控儀(型號WMZK-01)?A?1,A?2,A?3?接收溫度傳感器的信號,顯示各應力桿的溫度,并可設定極限溫度以控制加熱體的工作狀態.?穩壓電源向拉壓力傳感器提供24 V工作電壓.?電壓表V用于顯示實驗裝置總電路的工作電壓.毫伏表mV用于顯示拉壓力傳感器的輸出信號.表中顯示的值為實際輸出信號的10倍.該毫伏值與作用力大小成正比關系.經測定,5 kN量程時,當量值為0.067 kN/mV;24 kN量程時,當量值為0.025 kN/mV.

3.計算機系統?

由主機,顯示器及打印機組成.應力桿的輸出信號被放大1 000倍,后經計算機處理后以坐標圖形式顯示在屏幕上,以便直觀地看到應力變化趨勢.該坐標圖的橫軸為時間軸,縱軸為應力(或電壓)軸.所顯示的圖像中,橫坐標軸下方的曲線為桿?B?所受應力的動態變化情況(其上方的兩條曲線與桿?A,C?對應).屏幕圖像可存儲和重現,亦可通過打印機打印出來.?

四,實驗原理

金屬構件在熱循環過程中,由于材料熱傳導特性等因素的影響,構件各部分之間,構件表層與心部之間必然存在溫差,致使金屬構件的膨脹,收縮量有所差異,加之剛性構架中各部分之間的互相制約,于是在不同的溫度區間里在構件中便會形成熱應力.?基于上述原理,將應力框的中間應力桿?B加熱,隨著溫度的升高,其長度將有所增加.由于桿B已被鎖定,于是形成兩側桿A,C與桿B之間的約束狀態,致使桿A,C受拉,桿B?受壓.此時三桿間的相互作用通過拉壓力傳感器以電壓信號的形式輸出,由毫伏表和屏幕顯示出來.三桿間的溫差越大,作用力也越大.根據標定的作用力與電壓間的當量值可計算出作用力(應力)的數值.加熱到最高溫度時松開鎖緊螺栓,使三桿間的約束解除,相當于中間桿?B?發生了塑性變形.由于作用力消失,因此毫伏表指針和屏幕顯示的曲線均回歸零位.再次鎖緊中間桿,并停止加熱,則在冷卻過程中,三桿間又產生符號相反的作用力.?

五,實驗設備?

熱應力測定儀,微型計算機(含《鑄造應力》CAI軟件).?

六,實驗步驟?

1.計算機仿真測定?

1)在計算機上,利用《鑄造應力》實驗教學課件,了解鑄造應力的分類,成因,分布規律及其影響;?

2)用應力框法進行鑄造熱應力的仿真測定.?

2.使用熱應力實驗裝置進行鑄造熱應力的測定?

1)檢查實驗裝置各部件,管路,接頭的連接是否正確與完好;檢查電器線路,接口連接正確及接觸良好與否;檢查確認應力框部分接地良好與否.設定溫度控制儀的極限加熱溫度值(桿間溫差不大于60 ℃).?

2)接通電源,開啟溫度控制儀;接通穩壓電源,開啟計算機,并使計算機處于C\>狀態.進行如下計算機操作:?

SAMPLE? 顯示菜單?

0? 顯示File Name——?

輸入文件名(或?)? 顯示hour——?

輸入時(0),分(30),秒(0)數和采樣時間(1 ms).?顯示坐標圖.?

3)鎖定桿B.適當調整桿A,C緊固程度,使各毫伏表的初始指示值最小.?

4)接通加熱體電路,加熱中間桿B(為避免加熱速度過快,可手動控制開關KB1 ,以形成間歇供熱方式).?

5)記錄溫度值和該時刻與之對應的毫伏表的毫伏值.?

6)在設定的極限溫度上停留一段時間.在紅燈亮的狀態下,松開桿B的鎖緊螺栓G.

當毫伏表指針停留在最小數值時,再次鎖緊中間桿B,同時切斷加熱體電路.?

7)觀察和記錄冷卻過程中的溫度值和對應的毫伏數.當毫伏表指針低于0刻度時,將開關KA2 ,KB2 ,KC2 轉換至相反位置.?

8)將加熱,冷卻階段的"電壓-時間"曲線圖存入計算機.?

9)當桿B的溫度降至室溫后,松開鎖緊螺栓,關閉所有電路.?

10)整理實驗數據,計算作用力和應力值,繪制?V(作用力或應力)--t曲線.

11)分析實驗結果,填寫實驗報告

5熱應力的相關影響

殘余熱應力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力，對工件的形狀，尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時，便引起工件的變形，超過材料的強度極限時就會使工件開裂，這是它有害的一面，應當減少和消除。

但在一定條件下控制應力使之合理分布，就可以提高零件的機械性能和使用壽命，變害為利。分析鋼在熱處理過程中應力的分布和變化規律，使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經引起了人們的廣泛重視。

鋼的殘余熱應力

工件在加熱和冷卻過程中，由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，由于表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當冷卻結束時，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。

這種現象受到冷卻速度，材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時，因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹，工件各部位先后相變，造成體積長大不一致而產生組織應力。組織應力變化的最終結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力相反。組織應力的大小與工件在馬氏體相變區的冷卻速度，形狀，材料的化學成分等因素有關。

實踐證明，任何工件在熱處理過程中，只要有相變，熱應力和組織應力都會發生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的，在整個冷卻過程中，熱應力與組織應力綜合作用的結果，就是工件中實際存在的應力。

這兩種應力綜合作用的結果是十分復雜的，受著許多因素的影響，如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發展過程來說只有兩種類型，即熱應力和組織應力，作用方向相反時二者抵消，作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加，兩個應力應有一個占主導因素，熱應力占主導地位時的作用結果是工件心部受拉，表面受壓。組織應力占主導地位時的作用結果是工件心部受壓表面受拉。

殘余熱應力對淬火裂紋的影響

存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內)，對淬火裂紋的產生都有促進作用，但只有在拉應力場內(尤其是在最大拉應力下)才會表現出來，若在壓應力場內并無促裂作用。

淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度，并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。

就殘余應力而論，這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在能淬透的情況下，截面尺寸越大的工件，雖然實際冷卻速度更緩，開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢，熱應力減小，組織應力隨尺寸的增大而增加，最后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。對這類鋼件而言，在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。

避免淬裂的可有原則是設法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只能產生在非淬透性件中的弧裂，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因，卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉變區內)本身，而是淬火件局部位置(由幾何結構決定)，在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩，因而沒有淬硬所致。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應力為主要成份的殘余拉應力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬硬的截面中心處，首先形成裂紋并由內往外擴展而造成的。

為了避免這類裂紋產生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內的快速冷卻，目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織；而從內應力的角度來看，這時快冷有害無益。其次，冷卻后期緩冷的目的，主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應力值，而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度，從而達到減小應力值和最終抑制淬裂的目的。

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2015-0402