结构材料中的残余应力
残余应力 表面张力-概述说明以及解释
残余应力表面张力-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:本文将详细探讨残余应力和表面张力这两个与材料性质和力学行为相关的重要概念。
残余应力是指在材料内部存在的一种应力状态，表征了物体负荷之后在去除载荷后剩余的应力。
而表面张力是液体表面处存在的一种特殊力，使得液体表面呈现出收缩的趋势，使液体分子聚集在一起形成液体的表面膜。
在本文中，我们将首先对残余应力进行详细的介绍。
残余应力可能源自材料制备过程中的热应力、冷却应力、加工应力等，它们会对材料的性能和稳定性产生重要影响。
我们将着重讨论残余应力的产生机制和对材料性能的影响，同时还会介绍一些常见的残余应力检测方法。
其次，我们将探讨表面张力的概念和作用。
表面张力是液体分子间相互作用力的结果，是造成液体表面紧缩的力。
我们将详细讨论表面张力的产生原理、表征方法以及在液体行为中的重要作用，如液体的凝聚现象、液体的形状和液滴的稳定性等。
最后，我们将探讨残余应力与表面张力之间的关系。
尽管它们是两个不同的概念，但从分子层面来看，它们都涉及到材料内部或表面分子间相互作用力的存在。
我们将探讨如何通过调控残余应力来影响表面张力，并且通过实例分析展示二者之间的关系。
通过对残余应力和表面张力的深入研究，我们可以更好地理解不同材料的行为和性能，从而指导材料的制备和应用。
同时，对于了解材料的疲劳性能、形变行为以及液体的稳定性等方面也具有重要意义。
因此，对于残余应力和表面张力的研究具有重要的理论和实践意义。
通过本文的研究，我们希望能够揭示残余应力和表面张力之间的关系，并为相关领域的研究和应用提供有益的启示。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以写成如下形式:1.2 文章结构本篇长文主要分为三个部分：引言、正文和结论。
每个部分都有相应的小节，具体的内容安排如下：引言部分将对本文的主题进行概述，说明残余应力和表面张力的概念以及它们在材料科学中的重要性。
同时，引言部分将介绍本文的目的，即通过对残余应力与表面张力关系的探讨，揭示它们对材料性能的影响，并为相关研究提供启示。
钢结构焊接中的残余应力分析方法
能够兼顾计算精度和计算效率，适用于大型复杂 焊接结构的残余应力分析。
03
钢结构焊接中的残余应力测量技术
X射线衍射法
01
02
03
04
原理
利用X射线在晶体中的衍射现 象，通过测量衍射角的变化来 计算残余应力。
优点
非破坏性测量，对试样无损伤 ，可测量小区域和复杂形状的 构件。
缺点
设备昂贵，操作复杂，需要专 业人员进行操作和分析。
将数值模拟得到的残余应力分布结果与实验结果 进行对比分析，验证模拟的准确性。
模拟结果优化
针对误差来源进行模拟结果的优化和改进，提高 数值模拟的精度和可靠性。
ABCD
误差来源分析
分析数值模拟中可能存在的误差来源，如模型简 化、材料参数不准确等，并提出改进措施。
工程应用探讨
探讨数值模拟在钢结构焊接残余应力分析中的工 程应用前景和局限性。
原理
利用超声波在材料中的传播速 度与应力之间的关系，通过测 量超声波传播速度的变化来计
算残余应力。
优点
设备相对简单，操作方便，可 实现在线测量。
缺点
对材料表面粗糙度和温度等因 素敏感，测量结果易受干扰。
应用范围
适用于各种金属材料和构件的 表面残余应力测量。
应变片法
原理
在构件表面粘贴应变片，通过测量应 变片电阻值的变化来计算残余应力。
求解过程
采用合适的数值方法求解边界积分方 程，得到焊接过程中的温度场和应力
场分布。
材料本构关系与热源模拟
定义材料的本构关系和焊接热源模型 ，以模拟焊接过程中的热力学行为。
结果分析与验证
对求解结果进行可视化处理和数据分 析，评估残余应力的分布和影响，并 与实验结果进行对比验证。
工字梁残余应力__概述说明以及解释
工字梁残余应力概述说明以及解释1. 引言1.1 概述工字梁是一种常见的结构元件，在各种工程中广泛应用。
然而，随着工字梁的使用时间的增加，以及外部载荷的作用，工字梁内部会产生残余应力。
这些残余应力可能会对其性能和使用寿命产生重要影响。
本文将详细探讨工字梁残余应力的定义、形成原因以及测量和计算方法。
同时还将分析残余应力对工字梁强度、稳定性、变形和挠度控制以及疲劳寿命等方面的影响。
为了减小这些影响并提高工字梁的整体性能，文章也将介绍一些减小工字梁残余应力的方法与措施。
1.2 文章结构本文总共分为五个主要部分进行阐述。
除了引言部分外，第二部分具体说明了工字梁残余应力的定义和背景，并解释了其形成原因以及测量和计算方法。
第三部分主要论述了这些残余应力对于工字梁性能的影响，包括强度、稳定性、变形和挠度控制以及疲劳寿命和耐久性等方面。
在第四部分中，我们将介绍一些减小工字梁残余应力的具体方法与措施，包括制造工艺优化、合理设计与布置以及应力释放与调整技术等。
最后一部分为结论部分，总结了本文的主要观点和发现结果，并提出了未来研究方向或可能存在的问题。
1.3 目的本篇文章的主要目的是对工字梁残余应力进行全面介绍和解释，以增加人们对这一问题的认识并提供一些可行的方法和措施。
通过深入研究工字梁残余应力对其性能和使用寿命的影响，读者可以更好地理解并规避这些潜在问题，在实际工程中提高工字梁的安全可靠性和使用效果。
2. 工字梁残余应力:2.1 定义和背景:工字梁是一种常见的结构构件，用于承受荷载和转移力量。
在制造和使用过程中，由于各种因素的影响，工字梁内部会存在残余应力。
残余应力是指没有外部荷载作用下材料内部存在的应力状态。
2.2 形成原因:工字梁内部残余应力的形成原因多种多样。
主要包括以下几个方面：a) 制造过程中的热变形：在加工、焊接等制造过程中，由于温度变化产生的热膨胀和收缩使得材料内部发生形变，并导致残余应力的产生。
b) 冷却速率不均匀：在制造完成后，工字梁冷却过程中不同区域或表面与内部冷却速率不同，引起不均匀收缩，进而产生残余应力。
残余应力的危害及消除方法
焊接残余应力对构件的危害是1、对结构刚度的影响当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。
2、对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口。
，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。
这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。
3、对静载强度的影响没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。
反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。
4、对疲劳强度的影响残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。
因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。
5、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。
残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。
6、对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。
焊接残余应力消除方法有：利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。
利用预热法来控制焊接残余应力构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。
焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。
利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。
残余应力测量与消除方式的介绍
4、残余应力测量的介绍
金陵船厂
磁测法残余应力测量
磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下 磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。众所周知，铁磁材料具有磁 畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致 伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为 张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化 转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过装有特 定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的 变化趋势。
经济型振动时效设备
数码交流振动时效设 备
2、振动时效的介绍
金陵船厂
交流与直流对比
2、振动时效的介绍
金陵船厂
设备的技术参数
参数 最大激振力（KN） 调速范围（r/min) 1000-8000 涵盖范围 10/20/30/35/40/50/65/80
稳速精度（r/min)
电机额定功率（Kw） 最大处理工件重量（T） 加速度显示范围 加速度测量 供电电压（V） 打印功能
2、振动时效的介绍
金陵船厂
振动时效设备原理
振动处理技术又称做振动消除应力，在我国又称做振动时效。它是将一个具有偏心 重块的电机系统（称做激振器）安放在构件上，并将构件用橡皮垫等弹性物体支承，通 过控制器起动电机并调节其转速，使构件处于共振状态。约经20~30分钟的振动处理即 可达到调整残余应力的目的。可见，用振动调整残余应力技术是十分简单和可行的。
动测量和分析，快速显示X和Y方向残余应 力值，并显示各方向的平均应力曲线。并 可将测量结果和分析曲线打印，作为检验
依据永久保存。是目前唯一能进行三维应
消除残余应力的方法
消除残余应力的方法消除残余应力是指在材料或结构中消除由外力引起的剩余应力，主要通过热处理方法实现。
1. 淬火和回火：淬火是将材料快速冷却到室温以下，使其形成马氏体结构，从而产生较高的表面硬度和残余应力。
回火是将材料在较低温度下加热一段时间，然后冷却，以减轻残余应力。
淬火和回火可以有效地消除大部分残余应力，提高材料的强度和韧性。
2. 热拉伸：热拉伸是通过加热材料到高温，然后进行拉伸，再冷却，以消除残余应力。
热拉伸方法可以使材料在不引起形变的情况下，通过热膨胀来消除应力。
3. 冷加工：冷加工是指通过塑性变形来改变材料的结构和性能，以消除残余应力。
冷加工可以通过压下、弯曲、拉伸、轧制等方式进行，可以有效地减轻残余应力。
4. 喷丸处理：喷丸处理是通过高速飞沙或高压水流冲击材料表面，以消除表面残余应力。
喷丸处理可以有效地改善材料的表面质量和耐蚀性，并减轻残余应力。
5. 超声波处理：超声波处理是将超声波能量传输到材料中，通过超声波的机械振动作用消除残余应力。
超声波处理可以迅速、均匀地改变材料的结构和性能，从而消除残余应力。
6. 磁性退火：磁性退火是通过在材料中施加高频电磁场，使材料的分子磁化方向改变，从而消除残余应力。
磁性退火可以在材料表面产生逆磁场，从而减轻残余应力。
7. 残余应力分析：通过应力测量、有限元分析或光学方法来分析和识别残余应力的分布和特征，从而采取相应的消除措施。
残余应力分析可以帮助确定消除残余应力的最佳方法，并指导材料或结构的设计和制备。
总之，消除残余应力的方法多种多样，可以根据具体情况选择合适的方法。
热处理、热拉伸、冷加工、喷丸处理、超声波处理、磁性退火和残余应力分析是常用的方法，可以有效地消除残余应力，提高材料或结构的性能和可靠性。
钣金成形过程中的残余应力分析
钣金成形过程中的残余应力分析引言在钣金成形过程中，残余应力是不可避免的产物。
残余应力是指在材料形状改变后，不会立即消失的应力。
残余应力的存在对工件的性能和稳定性都会产生一定的影响。
因此，对钣金成形过程中的残余应力进行分析和研究具有重要意义。
形成残余应力的原因钣金成形过程中，残余应力主要有以下几个原因导致：1.弹性变形: 在钣金成形过程中，材料会发生弹性变形。
弹性变形会导致材料内部产生应力，一部分应力会随着形状的改变而迅速消失，但还有一部分应力会在形状改变后保留下来，形成残余应力。
2.塑性变形: 在钣金成形过程中，材料还会发生塑性变形。
塑性变形会引起晶粒的方向性变化和晶粒内部的应力变化，进而形成残余应力。
3.热应力: 钣金成形过程中，如果涉及到材料的加热和冷却，温度变化会导致材料的线膨胀和体膨胀，从而产生热应力。
热应力也是导致残余应力的原因之一。
残余应力的影响残余应力对工件的性能和稳定性产生直接影响。
具体表现如下：1.尺寸稳定性: 残余应力会导致工件的尺寸发生变化，从而影响工件的尺寸稳定性。
例如，在一些高精度的钣金件中，如果残余应力引起尺寸不稳定，会导致工件无法满足设计要求。
2.工件变形: 残余应力会引起工件的变形，从而影响工件的整体形状。
如果工件的形状不符合设计要求，会导致工件的功能受到影响，甚至无法正常使用。
3.疲劳寿命: 残余应力会影响工件的疲劳寿命。
高残余应力会促进裂纹的扩展和材料的疲劳破坏，降低工件的使用寿命。
4.应力集中: 残余应力会导致应力集中的出现，从而增加了工件的局部应力，降低了工件的强度和韧性。
残余应力分析方法为了准确分析钣金成形过程中的残余应力，可以采用以下几种方法：1.数值模拟: 可以使用有限元分析等数值模拟方法，对钣金成形过程中的应力和应变进行计算和分析。
数值模拟可以模拟不同参数和工艺条件下的成形过程，为残余应力分析提供准确的数据。
2.实验测量: 可以通过实验测量的方法，直接测量工件中的残余应力。
残余应力的产生
残余应力的产生残余应力的产生、影响及防控措施崔曙东摘要：对钢结构而言，残余应力的存在，是影响结构脆断、疲劳破损和结构稳定性降低的重要因素。
本文试图对残余应力的产生、对结构的影响和如何有效降低残余应力及影响作简单分析。
关键词：残余应力脆断疲劳破损刚度稳定性1引言钢结构自问世以来，由于其具备的强度高、自重轻、抗震性能好、、施工速度快、地基基础费用省、结构占用面积少、工业化程度高等一系列优点，钢结构在建筑领域被广泛应用。
但是，也不能否认，钢结构还存在着许多缺陷和隐患，例如稳定性从一开始就一直是钢结构中无法回避的问题，还有随着钢结构建筑的深入发展，脆断和疲劳破损等问题也越来越突出。
而上述的诸多问题，无一不与构件内部的残余应力存在密切联系，本文试图从实际出发，探讨残余应力的产生过程、对结构或构件的影响以及如何有效降低残余应力及影响。
多，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。
[1]2.1.1沿焊缝轴线方向的纵向焊接残余应力施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。
焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律（变形前的平截面，变形后仍保持平面）而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。
由于钢材在高温时呈塑性状态（称为热塑状态），因而高温区这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，这种塑性变形当温度下降、压应力消失时是不能恢复的。
在焊后的冷却过程中，如假设焊缝区金属能自由变形，冷却后钢材因已有塑性变形而不能恢复其原来长度。
事实上由于焊缝区与其邻近钢材是连续的，焊缝区因冷却产生的收缩变形又因平截面变形的平截面规律受到邻近低温区的钢材的约束，使焊缝区产生拉应力。
这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材内，故名焊接残余应力，对于低合金钢材焊接后的残余应力常可达到其屈服点。
又因截面上残余应力必须自相平衡，焊缝区以外的钢材截面内必然有残余压应力。
残余应力等效应力
残余应力等效应力1. 引言在材料工程和结构力学中，残余应力是指在物体表面或内部存在的一种内部应力状态。
它是由于物体受到外界作用力或热膨胀等因素引起的，当外界作用力消失后，残余应力仍然存在。
残余应力可以对材料和结构产生重要影响，因为它们可能导致裂纹扩展、变形和失效等问题。
为了更好地理解和评估这些影响，我们需要对残余应力进行分析和计算。
其中一个重要的参数是等效应力。
2. 残余应力的产生机制残余应力可以通过多种方式产生，其中包括以下几种常见机制：2.1 热膨胀热膨胀是指物体在温度发生变化时由于热胀冷缩而引起的尺寸变化。
当物体受到热膨胀或冷缩时，会导致内部出现残余应力。
2.2 加工变形加工过程中对材料进行塑性变形时，也会引起残余应力。
例如，在金属加工过程中使用锻造、轧制或拉伸等工艺，会使材料发生塑性变形，形成残余应力。
2.3 相变相变是指物质由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
在相变过程中，原子或分子之间的排列方式发生改变，导致残余应力的产生。
3. 等效应力的定义和计算等效应力是一个用来描述残余应力强度的参数。
它可以将各个方向上的应力合并为一个单一的数值，便于进行分析和比较。
3.1 等效应力的定义等效应力是一个与残余应力有关的标量量值，可以通过以下公式定义：σeq=√12[(σx−σy)2+(σy−σz)2+(σz−σx)2+6(τxy2+τyz2+τxz2)]其中，σx,σy,σz是三个主应力；τxy,τyz,τxz是三个主剪切应力。
3.2 等效应力的计算计算等效应力需要先确定各个方向上的主应力和主剪切应力。
这些数据可以通过实验测量或数值模拟得到。
然后，将这些值代入等效应力的定义公式中进行计算即可。
4. 等效应力的意义和应用等效应力在材料工程和结构力学中具有重要意义，它可以用来评估残余应力对材料和结构性能的影响，并指导设计和改进。
4.1 评估材料强度等效应力可以帮助我们评估材料的强度。
当等效应力超过了材料的屈服强度时，就可能导致塑性变形、裂纹扩展或失效等问题。
残余应力名词解释
残余应力名词解释
残余应力是指材料或构件在经历过一定载荷或变形后，释放一些
内部应力，这些应力在外力消失后仍然存在的现象。
下面，我们分步骤来解释残余应力：
一、起因：当材料或构件受到某种外力作用时，其内部会发生应
力变化，如受拉应力部分会发生伸长，受压应力部分会发生压缩。
一
旦外力消失，部分内部应力会被释放，但仍有部分内部应力保留。
二、判断：确定一个材料或构件中残余应力的存在需要进行一些
测试。
目前，常见的测试方法可以分为：非破坏性测试和破坏性测试。
常见的非破坏性测试包括X射线应力分析、电磁超声波探伤等。
破坏
性测试从名称上看就能看出，在此过程中要摧毁测试对象，比如说拉
伸实验、压缩实验等。
三、影响：残余应力具有很强的影响作用，特别是对于材料和构
件的工作性能和寿命等而言。
一方面，残余应力使得材料和构件具有
更高的硬度、韧性和强度等。
另一方面，如果残余应力过大，就会导
致材料或构件出现微观损伤，使其易于开裂或变形。
四、利用：针对残余应力的存在，在一些领域中被广泛地利用。
例如，压制时对部分材料或构件施加压力，以增强其强度；在工艺加
工前对材料或构件进行应力调整，以降低其在使用过程中的变形；还
有在生产过程中采用残余应力检测技术，以确保产品的工作性能和寿
命等。
总之，残余应力是一种非常重要的现象，在很多材料和构件的设计、制造和使用过程中会涉及到，因此需要我们深入地了解这一现象
的相关知识，以便更好地应对残余应力造成的影响。
残余应力的概念
残余应力的概念残余应力是指材料在加工、热处理或使用过程中，由于内部应力分布不均匀而形成的一种应力状态。
这种应力状态不会随着外力的消失而完全消失，而是留下一定的应力残留在材料中。
残余应力的存在会对材料的性能和寿命产生重要影响。
一、残余应力的形成原因1. 加工应力：在材料加工过程中，由于切削、锻造、轧制等加工方法的不同，会在材料内部产生不同方向的应力。
这些应力在加工后不会完全消失，留下一定的残余应力。
2. 热处理应力：在材料热处理过程中，由于温度变化和组织结构的变化，会形成内部应力。
这些应力也不会完全消失，留下一定的残余应力。
3. 使用应力：在材料使用过程中，由于受到外部载荷的作用，会产生内部应力。
这些应力也不会完全消失，留下一定的残余应力。
二、残余应力的影响1. 影响材料的强度和韧性：残余应力会使材料的强度和韧性发生变化，使其抗拉、抗压、抗弯等性能发生变化。
2. 影响材料的疲劳寿命：残余应力会影响材料的疲劳寿命，使其在受到疲劳载荷时更容易发生疲劳裂纹。
3. 影响材料的变形和稳定性：残余应力会影响材料的变形和稳定性，使其在受到外部载荷时更容易发生塑性变形和变形失稳。
4. 影响材料的耐腐蚀性能：残余应力会影响材料的耐腐蚀性能，使其更容易受到腐蚀和损伤。
三、残余应力的测量方法1. X射线衍射法：利用X射线的衍射现象，测量材料内部的晶格应变，从而得到残余应力的大小和方向。
2. 中子衍射法：利用中子的衍射现象，测量材料内部的晶格应变，从而得到残余应力的大小和方向。
3. 光学法：利用光学原理，测量材料内部的应变，从而得到残余应力的大小和方向。
4. 拉伸法：利用拉伸试验机，测量材料在不同拉伸程度下的应力和应变，从而得到残余应力的大小和方向。
总之，残余应力是材料内部的一种应力状态，对材料的性能和寿命产生重要影响。
通过合适的测量方法，可以准确地测量残余应力的大小和方向，为材料的应用提供科学依据。
残余应力对结构性能影响分析
残余应力对结构性能影响分析残余应力对结构性能影响分析残余应力是指在结构材料经历了外部力作用之后，被释放掉一部分，但仍然存在于结构内部的应力。
这些应力可以对结构的性能产生重要影响。
本文将逐步分析残余应力对结构性能的影响。
首先，残余应力可以影响结构的稳定性。
由于残余应力的存在，结构承受外部荷载时会受到额外的应力作用，进而导致结构的稳定性降低。
特别是在长时间的使用过程中，这种稳定性的降低可能会导致结构的损坏和失效。
其次，残余应力还会影响结构的变形行为。
当结构中存在残余应力时，其变形行为可能会与设计预期有所偏离。
这些残余应力可以导致结构出现非均匀的应变分布，从而引起结构的形状变化和畸变。
这可能会影响结构的整体几何形状和尺寸，进而影响结构的功能和使用效果。
此外，残余应力还会影响结构的疲劳寿命。
疲劳是结构在反复荷载下产生渐进性损伤的过程。
而残余应力可以加速结构的疲劳破坏。
由于残余应力的存在，结构在受到疲劳荷载时，会受到额外的应力作用，从而导致结构的疲劳寿命大幅缩短。
因此，对于需要经受大量循环荷载的结构，如桥梁和飞机等，必须特别关注残余应力的影响。
最后，残余应力还可能导致结构的开裂和断裂。
由于残余应力的存在，结构中的应力集中区域可能超过了材料的承载能力，从而导致裂纹的生成和扩展。
这些裂纹会进一步削弱结构的强度和刚度，最终导致结构的失效。
综上所述，残余应力对结构的性能影响是非常显著的。
它可以降低结构的稳定性，改变结构的变形行为，缩短结构的疲劳寿命，并导致结构的开裂和断裂。
因此，在结构设计和制造过程中，需要充分考虑和控制残余应力的存在，以确保结构的安全和可靠性。
残余应力
残余应力（Residual Stress）消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。
机械加工和强化工艺都能引起残余应力。
如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，因不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。
残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。
或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。
残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。
零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除。
残余应力有时也有有益的方而，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。
[1]工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响。
也称残余应力。
残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。
凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。
测试仪器编辑残余应力分析仪其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ ：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。
通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力。
应力方程根据弹性力学理论, 在宏观各向同性晶体材料上角度θ和ψ（见图1）方向的应变可以用如下方程表述：（图1）正应力和剪切应力应力分量ζθ和ηθ为方向Sθ上正应力和剪切应力：含剪切应力的应力方程和曲线如果在垂直于试样表面上的平面上有剪应力存在（η13≠0和/或η23≠0），则εθψ与sin2ψ的函数关系是一个椭圆曲线，在ψ> 0和ψ<0是图形显示为“ψ分叉”（见图3）。
焊接残余应力产生的原因
焊接残余应力产生的原因焊接残余应力是指焊接工艺过程中产生的残留应力。
焊接残余应力的产生原因主要有以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝和母材受到高温的加热，使其发生热膨胀。
而焊接完成后，焊缝和母材冷却收缩，由于收缩系数不同，会产生热应力。
这种应力主要分布在焊缝附近和热影响区域，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
2. 冷却应力：焊接过程中，焊缝和母材在高温下形成了熔池，当焊接完成后，熔池快速冷却，由于冷却速度不均匀，会导致焊缝和母材产生冷却收缩应力。
这种应力主要分布在焊缝附近和热影响区域，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
3. 弹性应力：焊接过程中，焊接材料受到局部变形，使焊缝和母材产生弹性应力。
这种应力主要是由于焊接过程中焊接材料的热胀冷缩引起的，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
4. 形状变化引起的应力：焊接过程中，焊接结构可能会发生形状变化，如变形、扭曲等。
这种形状变化会引起焊缝和母材的应力，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
焊接残余应力对焊接结构的影响主要体现在以下几个方面：1. 引起裂纹：焊接残余应力是焊接结构内部的应力，当应力超过了材料的承受能力时，会引起裂纹的产生。
裂纹的产生会降低焊接结构的强度和稳定性。
2. 引起变形：焊接残余应力会引起焊接结构的变形，如翘曲、扭曲等。
这些变形会影响焊接结构的几何形状和尺寸，使其失去设计要求的精度和稳定性。
3. 影响力学性能：焊接残余应力会改变焊接结构的力学性能，如强度、韧性等。
这些改变可能导致焊接结构在受力时发生变形或破坏，影响其使用寿命和安全性能。
为了减小焊接残余应力的影响，可以采取以下措施：1. 优化焊接工艺：合理选择焊接方法和参数，控制焊接过程中的温度和变形，减小焊接残余应力的产生。
可以采用预热、缓冷等措施，促使焊接结构的温度和变形均匀分布，减小应力集中。
2. 采用适当的焊接顺序：根据焊接结构的特点，采用合理的焊接顺序，避免焊接过程中应力的积累和集中。
残余应力及检测方法
残余应力及检测方法一、残余应力简介及检测方法对比众所周知，工件在制造过程中，会受到各种因素的作用与影响。
当这些因素消失之后，若构件所受到的作用与影响不能完全消失，则会有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响，称作残余应力。
残余应力对工件有着很大的伤害，会使工件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。
针对这一问题，在现在的科技环境下，产生了几种检测应力的方法，这几种方法都存在各自的优缺点，对比图如下：现阶段行业内主要使用以下几种方法检测残余应力：（1）盲孔法盲孔法的优点在于有较好精度，而缺点也比较明显，即检测过程中需要损坏材料的结构。
（2）X射线衍射法X射线衍射法经过了市场的检验，优点是技术较为成熟且稳定，缺点是检测仪器比较笨重，操作耗时且伴随着辐射。
（3）超声波应力检测法超声波应力检测法的优点在于操作简便、快速、不损伤材料，也不会对检测人员造成伤害。
而它的缺点就在于这是一项新的技术，虽然经过多家大型实验室的测验，但是市场检验度还不够高。
综合来看，超声波应力检测技术具有很大的现场适用性，下文对该技术进行详细介绍。
二、超声波应力检测技术1、超声波应力测试仪近些年国内超声波应力检测技术的研究进展较快，下图展示为我公司自主研发的一台超声波应力测试设备及配套软件，它是一款工业级高精度超声波应力测量设备，通过软件实现信号的激发和采集，根据声弹性理论进行残余应力的计算，可无损测定被测对象积聚的应力。
超声波应力测试设备（采集模块）超声波应力测试信号处理系统（显示操作模块）该设备符合国标GB/T 32073-2015《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》的要求，具备频率设置、滤波、超声激励、残余应力值计算等基本功能。
以下为该设备具有的优势和特点：•可同时测量应力、声时、壁厚、声速，实时显示超声波形，具有一定探伤功能；•配备高频数据采集卡，对上万次测量结果进行算法优化，测量结果更准确；•集成了温度传感器，通过温度补偿消除温度对检测结果的影响；•采集模块分体式设计，易于拆装，可无线连接显示操作模块，移动性强，易于现场使用；•设备可搭载锂电池独立供电，有效地解决了野外现场供电难的问题；•优良的抗干扰能力和可靠性，拥有出色的信噪比。
残余应力的分类
残余应力的分类
1. 宏观残余应力呀，这就好比是一场看不到硝烟的战争在材料内部进行着。
比如说一块大钢板，它在加工过程中各个部分受到的力不均衡，就会产生这种宏观残余应力。
2. 还有微观残余应力呢，嘿，这就像是材料里的小精灵在捣乱。
就拿一个小金属零件来说，它里面的晶粒之间相互作用，就出现了微观残余应力。
3. 热残余应力可不能小瞧啊，这不就是热锅上的蚂蚁嘛！像是焊接的时候，高温和冷却的变化，会产生热残余应力哦。
4. 相变残余应力呀，就仿佛是一场神秘的变形魔法。
比如钢材在热处理时发生相变，就会带来这种应力，奇怪吧？
5. 机械残余应力，那简直就是硬塞给材料的压力呀！好比你使劲掰弯一根铁丝，它不就有了机械残余应力嘛。
6. 化学残余应力呢，就好像是材料的身体里发生了奇妙的化学反应。
比如一些材料在特殊环境下发生了化学变化，从而产生化学残余应力。
我觉得残余应力的分类真的很神奇，每种都有它独特的特点和产生方式呢！。
残余应力判定标准
残余应力的判定标准可以根据不同的方法和应用场景而有所不同。
以下是一些常见的残余应力判定标准：X射线衍射法：这是一种无损检测方法，通过测量材料晶格间距的变化来推断残余应力的大小和分布。
在X射线衍射法中，判定标准通常与晶格间距的变化量相关，这个变化量可以通过比较无应力状态和有应力状态下的X射线衍射图谱来获得。
中子衍射法：类似于X射线衍射法，中子衍射法也是通过测量晶格间距的变化来推断残余应力。
判定标准通常与中子衍射图谱中的峰位移动或峰形变化相关。
超声波法：利用超声波在材料中传播速度的变化来测量残余应力。
判定标准通常与超声波传播速度的变化量或声弹性系数相关。
磁性法：通过测量材料磁性的变化来推断残余应力。
判定标准通常与磁化强度、磁导率或磁滞回线的变化相关。
机械释放法：这是一种有损检测方法，通过局部切割或钻孔来释放残余应力，并测量释放的应变或位移来推断残余应力的大小和分布。
判定标准通常与释放的应变或位移量相关。
需要注意的是，不同的判定标准可能适用于不同的材料和应用场景，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的判定标准。
此外，对于复杂构件或大型结构，可能需要采用多种方法进行综合评估。
材料残余应力
材料残余应力
材料残余应力是指在材料加工或者变形后，由于内部微观结构和应力分布的不均匀性所导致的残余应力。
这些应力可能会对材料的性能、稳定性和寿命产生重要影响。
因此，对材料残余应力的研究和控制具有重要的意义。
材料残余应力的产生主要有以下几个方面的原因，首先，是由于材料的非均匀性，例如晶粒的大小、形状和分布不均匀等因素会导致残余应力的产生。
其次，是由于材料的加工过程中所施加的外部应力，例如锻造、轧制、焊接等加工过程中所施加的压力会导致材料内部产生残余应力。
最后，是由于材料的热处理过程，例如淬火、退火等热处理过程中所产生的温度梯度和相变引起的体积变化也会导致残余应力的产生。
材料残余应力的存在会对材料的性能和稳定性产生重要影响。
首先，残余应力会影响材料的力学性能，例如强度、韧性、塑性等性能。
其次，残余应力还会影响材料的疲劳性能和蠕变性能，导致材料的寿命缩短。
最后，残余应力还会影响材料的加工性能，例如加工硬化、变形能力等。
为了控制材料的残余应力，可以采取以下几种方法，首先，可以通过合理的工艺设计和参数选择来减少残余应力的产生。
其次，可以通过适当的热处理工艺来消除或者减小残余应力。
最后，可以通过表面处理、残余应力退火等方法来改善材料的残余应力状态。
总之，材料残余应力是材料加工和变形过程中不可避免的问题，对材料的性能和稳定性产生重要影响。
因此，对材料残余应力的研究和控制具有重要的意义，可以通过合理的工艺设计、热处理工艺和表面处理等方法来减小残余应力的影响，从而提高材料的性能和稳定性。
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2 结构材料中的残余应力2.1 残余应力的定义通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并保持自身平衡的应力叫做内应力 [3] 。
依据德国学者E. Macherauch 于1973年提出的分类方法 ，内应力可以分为以下三类：第I 类内应力（r σI ）在较大的材料区域（多个晶粒范围）内几乎是均匀的。
第II 类内应力（r σII ）在材料较小范围（一个晶粒或晶粒内的区域）内近乎均匀。
第III 类内应力（r σIII ）在极小的材料区域（几个原子间距）内也是不均匀的。
图1.1给出了按上述方法分类的一种单相多晶体材料中的三类应力的物理模型 [5]。
图中（x, y ）处的重的内应力在y 方向的分量y T r ,σ在数值上可用下式表述：r T r y x y σσ=),(,I ),(y x r σ+II ),(y x r σ+III ),(y x (1.1)其中 r σI ⎰⎰=)/(df df σ多个晶粒 (1.2)r σII ⎰⎰=)/(df df σ一个晶粒－r σI (1.3)r σIII ＝（y T r ,σ－r σI －r σII ）在（x,y ）点上 (1.4)Fig1.1 Diagrammatic drawing of internal stress classification残余应力是第I 类内应力的工程名称，也被称为“宏观应力”（Macro Stress ）。
2.2 残余应力产生的原因残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料的弹性各向异性的反映。
残余应力产生的原因主要有 [4，5]：i ）不均匀塑性变形导致不同部分之间相对的压缩或拉伸形变产生残余应力。
例如弯曲、压缩、滚压、切削、喷丸、拉拔等加工方式都能引起不均匀塑性变形。
ii ）热影响产生残余应力。
热对残余应力产生的影响是复杂的。
加热、冷却过程中材料内各部分之间会存在温度梯度，就会产生不均匀膨胀，从而产生热应力；而当组织转变引起材料内部产生不均匀的体积变化时，则产生相变应力。
例如当钢铁材料从高温迅速冷却发生马氏体相变时，表层淬火后马氏体膨胀受到心部的阻碍在表面形成残余压应力。
iii ）化学作用产生残余应力。
这时的残余应力是由于表面向心部传递的化学变化或物理变化而产生的。
例如钢渗碳、渗氮后，表面形成比容较大的化合物，从而产生残余压应力。
图1.1 内应力分类示意图2.3残余应力的调整与消除在工件的冷热加工和热处理过程中，往往会引入残余应力。
残余应力的存在对材料的使用性能有很大的影响，尤其是残余拉应力的存在降低了材料的疲劳强度，缩短了零部件的使用寿命，以及降低了材料的抗应力腐蚀性能。
因此针对工件的具体服役条件，须采取一定的措施来消除或降低对其性能不利的残余拉应力。
以下简单介绍几种消除或调整残余应力的方法。
2.3.1加热方法(Heat treatment)该方法是一种传统的消除残余应力的方法。
它利用残余应力的热松弛效应来消除或调整残余应力。
采用加热方法调整残余应力时，只要工艺得当，一般可达到充分消除残余应力的目的。
但与此同时材料的力学性能如强度、硬度等会发生变化。
温度较高时还伴有表面氧化等缺陷。
而且加热的方法往往要消耗大量的能源。
尤其是大型铸、焊件的整体加热时，生产周期长，成本高。
2.3.2振动时效（VSR：Vibration Stress Relief）振动消除残余应力是20世纪60年代发展起来的一种消除残余应力的方法，它通过施加循环载荷达到消除残余应力的目的。
由于处理时间短，使用范围广，能耗低，操作简单，而且不改变材料的组织结构，这种方法引起了人们的重视，在最近几十年来得到了迅速的发展。
2.3.3脉冲磁场处理(Pulsed Magnetic Treatment)该方法是将铁磁性材料放在高频或低频交变脉冲磁场中处理，磁场的磁致塑性效应致使位错运动，从而引起残余应力的松弛[12]。
这种方法处理并不改变材料的组织结构，而且仍然保持材料良好的力学性能。
这种方法处理时间短（几百微秒），能耗低，但是只对铁磁性材料有效。
2.3.4超声冲击(Ultrosonic Impact Treatment)最早把超声技术用来处理金属材料是在上个世纪五十年代末期。
80年代初，俄罗斯科学家Statnikov 研制了一套便携式超声处理设备，并把超声冲击技术用以处理焊缝。
该方法是采用大约27，000Hz 的超声波冲击样品使其产生塑性变形，从而引入对材料力学性能有利的残余压应力达到调整残余应力的目的。
这种处理方法与常规喷丸的作用机理相似，可以有效的提高疲劳裂纹萌生的门槛值和疲劳极限。
2.3.5电脉冲处理（Electropulse Treatment ）高密度脉冲电流对材料的处理过程是一个非平衡过程，它会引起材料性能的很大变化。
电流与材料相互作用时会产生多种效应，如电致迁移、电致塑性、电致超塑性及电致结构弛豫等。
2.4 残余应力对材料力学性能的影响2.4.1 对静强度的影响材料受静载时，残余应力可以看作是一个预加载荷叠加在外载荷上，它对材料静强度的影响取决于材料塑性变形的可能性。
如果材料为韧性或所承受的应力状态较软，则当叠加应力达到材料的弹性极限时，残余应力开始松弛，超过屈服强度时几乎全部松弛，此时残余应力对静强度影响不大。
若材料的屈强比b s σσ/很高，其塑性变形量很小，则应考虑残余应力对材料静强度的影响。
2.4.2 对金属抗应力腐蚀性能的影响各种统计资料表明，应力腐蚀破坏事故已占Cr-Ni 不锈钢整个湿态腐蚀破坏事故的首位，高达40％～60％[7]，而由于残余拉应力的存在引起的不锈钢应力腐蚀事故约占总的事故数的80％[8]。
从残余应力的角度出发，目前一般采用两种方法预防应力腐蚀的发生：消除残余拉应力和引入残余压应力。
消除残余拉应力的方法主要湿去应力退火；目前一般采用喷丸强化的方法在材料表层引入残余压应力。
喷丸强化使材料的应力腐蚀断裂的时间延长，并使临界应力大幅度提高。
喷丸后形成的残余压应力和高的位错密度是改善不锈钢抗应力腐蚀性能的两个重要原因。
2.4.3 对疲劳强度的影响著名疲劳专家Manson在上个世纪70年代就指出，延长疲劳寿命的最有效途径可能是引入残余应力[9]。
残余应力对疲劳强度的影响主要是提高材料高周疲劳的抗力，对于应变控制的低周疲劳一般不会显示出多大的作用。
残余应力对裂纹扩展的影响要比它对裂纹萌生的影响大得多。
残余压应力的存在可有效得的抑制裂纹的扩展[10]。
对于残余应力对裂纹扩展的影响目前一般采用两种不同的途径进行解释，一种是残余应力强度因子法，根据断裂力学叠加原理，认为存在残余应力时的有效应力强度因子是外载引起的应力强度因子和残余应力引起的应力强度因子之和。
这种方法完全建立在线弹性断裂力学的基础之上，不适用于弹塑性疲劳裂纹的扩展，而且该方法没有考虑到裂纹的闭合问题。
另外一种途径是考虑残余应力对裂纹闭合的影响。
2.5 残余应力的测定方法目前测定残余应力的方法多种多样，根据测试方法对被测试件是否造成损坏，可将其分为有损测试法和无损测试法两大类。
前者已机械方法为主，其原理是用机械加工的方法将零件一部分除去，释放部分或全部残余应力并造成相应的位移与应变，然后在某些部位测量这些位移或应变，通过力学分析推算除原始存在的残余应力。
例如钻孔法、环芯法等都属于机械方法。
无损检测残余应力的方法大多属于物理方法，其原理是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力（或应变）间的关系，通过测定该物理量推算出残余应力来，例如X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声法等。
2.5.1 钻孔法钻孔法在我国又称为小孔法或盲孔法，由J. Mathar于1934年首先提出，后经许多人的研究改进后形成的一项比较成熟的通过钻小孔测量构件残余应力的方法和技术。
其基本原理如图1.2所示[11]。
一块各项同性的板材中假定存在残余应力 r，若钻一小孔，则孔边的径向应力释放后为零，孔周边区域的应力也将重新分布，应力变化的曲线如图。
曲线上方阴影线的区域为释放应力。
由图可见，在孔周边区域释放应力的梯度很大，离孔边越近，释放的应力越大。
采用专门的箔式应变花和电阻应变仪来测量孔周围释放的应变推算出残余应力。
2.5.2 磁性应变法[12]磁性法是无损检测残余应力的有效方法之一，只能应用于铁磁性材料。
其测量的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化。
反之，铁磁体在应力的作用下其磁化状态（导磁率和磁感应强度等）也会发生变化，通过测量磁性变化课业测定铁磁性材料中的应力。
铁磁性材料在受力不大时其导磁率的相对变化量与应力之间存在下列关系：σμλμμσ00/=∆ (1.5)其中λ0为初始磁致伸缩系数，μ0为材料无应力时的导磁率，σ为作用的应力，μσ为材料应力减少后的导磁率，σμμμ-=∆0为导磁率的变化量。
2.5.3 环芯法环芯法又称为圆环法或切槽法，由德国的Milbradt 于1951年最先提出[12]。
目前德、美、法、日等国家已将环芯法列为汽轮发电机组转子部件残余应力测定的标准方法。
环芯法测定残余应力的基本原理可用图1.3来说明[13]。
假定在各向同性材料上某一区域存在双向残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2。
在该区域表面贴一应变花，再以应变花为中心加工一个直径为d ，槽深为h 的圆环槽。
这样环芯区域的残余应力被部分或全部释放（释放程度与槽深有关），通过应变花感受到释放的应变，根 据测得的释放应变计算出残余应力的大小和方向。
2.5.4 声弹性法[14]声弹性法测定应力时无损测量方法中颇具发展潜力的一种方法。
它通过超声波在材料内部的传播特性，利用应力引起的声双折射效应测量出超声传播路径的平均应力。
因此又被称为超声法。
在各向异性的固体中超声横波传播速度与应力之间的关系为：)(/)(210,2,1,σσα-+=-T T T T S V V V (1.6)式中α是材料各项异性系数，V T, 1,V T,2分别为超声横波沿两个主应力σ1，σ2方向传播的两个横波分量的传播速度，V T, 0为超声横波在无应力各向同性固体中的传播速度，S T 为横波应力常数。
超声纵波垂直于平面应力作用面传播时，其传播速度与应力之间的关系为：)(/)(210,0,σσ+=-L L L L S V V V (1.7)式中V L 为超声纵波在各向异性固体中得传播速度，V L, 0是超声纵波在无应力各向同性固体中的传播速度，S L 为纵波应力常数。
通过实验方法得到材料的α，S T 及S L ，并测出无应力状态材料的V T, 0和 V L, 0，然后在有应力的试件上测出V T, 1,V T,2及V L ，通过式(1.7)和式(1.8)，便可求得两主应力。