残余应力
《材料力学 第2版》_顾晓勤第13章第5节 残余应力的概念
第 5 节 残余应力的概念
对于拉压超静定杆系， 若在某些杆件发生塑性变 形后卸载，也将引起残余 应力。
例如对图所示桁架，如 在 3 杆已发生塑性变形， 而 1、2 杆仍然是弹性变形 的情况下卸载，则 3 杆的 塑性变形阻碍 1、2 杆恢复 原长度，这将引起残余应 力。
第十三章 杆件的塑性变形
设矩形截面梁为理想弹塑性材料，在弯矩最大的截
面上已有部分面积变为塑性区，如图所示。把卸载过 程设想为在梁上作用一个逐渐增加的弯矩，其方向与 加载时弯矩的方向相反，当这一弯矩在数值上等于原 来的弯矩时，载荷即已完全解除。
将加载和卸载两种应力叠加，得卸载后余留的应 力如图 d)所示，这就是残余应力。
第 5 节 残余应力的概念
第十三章 杆件的塑性变形
对具有残余应力的梁，如再作用一个与第一次加载 方向相同的弯矩，则应力--应变关系沿图b)中的直线
d d 变化。新增应力沿梁截面高度也是线性分布的。
就最外层纤维而言，直到新增应力与残余应力叠加的 结பைடு நூலகம்等于 时，才再次出现塑性变形。可见，只要第
二次加载与第一次加载的方向相同，则因第一次加载 出现的残余应力，提高了第二次加载的弹性范围。
初应力：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。 残余应力是一种固有应力。
残余应力的危害：如会引起机械零件翘曲或扭曲变 形，甚至开裂，经淬火或磨削后表面会出现裂纹。 零件的残余应力大部分可通过适当的热处理消除。
第 5 节 残余应力的概念
第十三章 杆件的塑性变形
第 5 节 残余应力的概念
第十三章 杆件的塑性变形
残余应力：当承载构件某些局部的应力超过屈服极 限时，这些部位将出现塑性变形，但构件的其他部 分还是弹性变形。这时如果将所承受的载荷全部卸 去，已经发生塑性变形的部分不能恢复其原来的尺 寸，同时阻碍弹性部分变形的恢复，从而引起内部 相互作用的应力，这种应力称为残余应力。
(完整版)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φ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σφ和τφ为方向Sφ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（τ13≠0和/或τ23≠0），则εφψ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）。
残余应力
残余应力测量方法与 消除技术
汇报人： 学 号：
• 残余应力的危害
主要内容
• 残余应力测量方法 • 残余应力消除技术
残余应力的产生及原因
残余应力是如何产生的呢？ 机械零部件在铸造、热处理、焊接、 压力加工、切削加工等制造过程中， 由于受热不均、机械载荷等因素产 生内部应力，而当这些因素消失后 仍然有部分应力残留，就成为残余 应力。 残余应力产生的原因:
钻孔法示意图
典型的钻孔云纹图 条纹分布
环芯法与深孔法
环芯法：其原理与钻 孔法相似。 深孔法：原理是首先在 零件上钻一个小孔，精 确测量出小孔的直径， 然后在零件上钻一个与 小孔同心的环，其周围 因为应力释放而使小孔 的直径发生变化，经计 算得到钻孔处原有的应 力。
环芯法示意图
深孔法示意图
剥层法
剥层法常用于测定几何形状简 单（平板、圆柱）的试件。 原理：当通过电化学方法从含 有残余应力的平板或圆柱上去 除一层材料时，其内部残余应 力将不再平衡，当它重新平衡 时将导致平板变形，平板弯曲 的曲率取决于被去除掉的那层 材料原来的残余应力分布和遗 留部分材料的弹性性能。
成分差异 不同材料成分 的比容不同 渗碳、氮 化、电镀、 材料制备等
产生的工 艺过程
切削、喷 丸、冲压、 锻造等
热处理、焊接、 热处理、焊接、 材料制备等 材料制备等
残余应力的危害
1）残余应力能影响零件的加工精度。一方面，后续工 序将引起前道工序的残余应力重新分布；另一方面，残 余应力随时间的推移缓慢松弛，均能导致零件变形和尺 寸不稳定。 2）残余应力能够影响零件的疲劳强度。表面压应力增 大疲劳强度；表面拉应力减小疲劳强度。 3）表面残余拉应力能加速应力腐蚀。
钻孔法
(完整版)残余应力分类与评估
目录1 残余应力 (1)1.1 残余应力的定义及分类 (1)1.2 残余应力的本质 (1)1.3 残余应力的影响 (1)2 残余应力的消除方法 (3)3 残余应力的测定与评估 (4)3.1无损检测法 (5)3.1.1 钻孔法 (5)3.1.2 环芯法 (6)3.1.3 剥层法 (6)3.2无损检测法 (6)3.2.1 X射线衍射法 (7)3.2.2 中子衍射法 (7)3.2.3 超声波法 (8)3.2.4 磁测法 (9)1 残余应力1.1 残余应力的定义及分类构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于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称为残留应力或残余应力。
可以说残余应力就是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。
残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。
1.2 残余应力的本质一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。
在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。
产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。
残余应力基本知识
拉伸作用引起凸出效应
垂直于表面的塑性“凸出”， 按照波松比关系，必然会产生 平行于表面的塑性收缩，而表 面之下未收缩，所以，
在被切削平面产生残余拉 应力
耕犁阶段
材料塑性滑移阶段
即“塑性凸出”，表面塑性收缩阶段
表一 残余应力峰值与喷丸预应力的关系
p(Kgf/mm2) ＋100 ＋75 ＋50 0 －98 rp(Kgf/mm2) －91 －88 －83 －63 ＋5
rp 51.30.5p(Kgf/mm2) (1)
上式的线性回归相关系数为0.973。
然后，对施加不同预应力喷丸，得到不 同残余应力的的钢板弹簧进行疲劳试验， 得到了这样的S—N曲线
残余应力基本知识简介
• 残余应力概念界定 • 残余应力的产生 • 残余应力的作用 • 残余应力的测量方法
一、残余应力的基本概念
定义
• 内应力：没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。
•历史回顾 1860年 Woehler 指出火车轴的断裂有内应力作用这个因素 1925年 Masing 首次提出将内应力分为三类。 1935年 Давиденков依据各类内应力对晶体的X射线衍射
内
外
残余 应力 （MPa）
实际测试得到的分布曲线却是这样的
400
300
200
100
剥层深度 （mm）
0
10
8
6
4
2
0
-100
-200
实测曲线与理论分析所得曲线 形状相似，区别在于表层及其 以下区间多了显著的拉应力。
实际情况是：钢板弯折 并没有达到90度，焊接 时施加外力，强制焊接 成型，于是把弹性变形 固定下来。
解释钢材中残余应力的特点,以及对构件强度和刚度的影响。
解释钢材中残余应力的特点,以及对构件强度和刚度的影响。
钢材中残余应力的特点，以及对构件强度和刚度的影响
钢材工程中残余应力是一个重要的概念，它不仅会对构件的强度
和刚度产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。
因此，本文将介绍
残余应力的特点，以及它对构件强度和刚度的影响。
首先，什么是残余应力？残余应力是指在制造过程中产生的应力，这些应力不会随着外力的改变而改变。
它是一种被冻结在构件中的应力，必须在构件加工、装配和使用过程中克服。
通常，残余应力主要由焊接、冷变形、冲压等工艺产生，也可能由外部激励而产生，如热
处理、局部强度和磨损等。
其次，残余应力的形式有哪些？残余应力可以分为拉应力和剪应
力两大类。
拉应力是指对构件所施加的垂直细节，其强度大小与深度
成正比。
而剪应力是指构件轴向断面上所施加的外力，其强度大小与
断面宽度成正比。
最后，残余应力会对构件强度和刚度造成怎样的影响？首先，残
余应力会影响构件的强度。
当残余应力增加时，构件容易发生裂纹，而构件的强度也会随之下降。
此外，残余应力也会影响构件的刚度。
当残余应力超出构件的强度限制时，构件容易发生变形，从而影响刚度。
总之，残余应力是一个重要概念，它不仅会对构件的强度和刚度
产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。
因此，在开展工程项目时，
应重视残余应力的管理和控制，从而确保工程项目的安全和高效。
残余应力判定标准
残余应力判定标准残余应力判定标准是对材料或构件中存在的未消除的内部应力进行评估和判断的方法和指标。
对于材料或构件来说，存在着一种内部的力量，这种力量往往是由于材料或构件的制造、加工、使用等环节引起的。
残余应力是这种内部力量的结果，它虽然在形式上与外部加载引起的应力类似，但是在本质上有很大的差别。
残余应力的存在对材料或构件的性能和使用寿命有着重要影响。
首先，残余应力会引起材料或构件的变形和变形能量的积累，导致材料或构件的形状和尺寸发生变化。
其次，残余应力会降低材料或构件的强度和韧性，增加其破坏的风险。
此外，残余应力还会导致材料或构件的断裂、脱落或疲劳破坏，进一步缩短了材料或构件的使用寿命。
为了评估和判断材料或构件中的残余应力，需要依靠一些标准和方法。
一般来说，残余应力判定主要基于以下几个方面的指标：1.实际应力与材料的屈服强度比较：将材料的实际应力与其屈服强度进行比较，如果实际应力大于屈服强度，则可以判断材料中存在着残余应力。
2.形变测量方法：通过测量材料或构件在加载前后的形状和尺寸的变化，判断残余应力的存在与程度。
常用的形变测量方法包括光栅法、应变计法、X射线衍射法等。
3.应变测量方法：通过测量材料或构件在加载过程中的应变分布，判断残余应力的存在与分布情况。
常用的应变测量方法包括电阻应变计法、光栅法、全息法等。
4.断裂与损伤表现：根据材料或构件的破坏形态和损伤特征，推断残余应力的存在与作用。
例如，如果材料或构件出现了明显的裂纹、脱落或变形等现象，则可以判断存在较大的残余应力。
5.材料或构件的使用历史和制造工艺分析：通过分析材料或构件的使用历史和制造工艺，推断残余应力的存在与来源。
例如，如果材料或构件在加工过程中经历了较大的变形或温度变化，则可以判断存在较大的残余应力。
需要注意的是，残余应力判定标准并不是一个单一的指标，而是综合考虑多个因素进行评估和判断的。
不同的材料或构件，由于其材质、形状、加载方式等不同，其判定标准和方法也会有所差异。
第10章 残余应力的测定
§10-2 X射线残余应力测定原理
在诸多测定残余应力的方法中，除超声波法 外，其他方法的共同点都是测定应力作用下产 生的应变，再按虎克定律计算应力。X射线残 余应力测定方法也是一种间接方法，它是根据 衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变 化来测定材料表层微小区域的应力。
X射线残余应力测定原理
实践证明，残余应力对制品的疲劳强度、 抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着直 接的影响。例如，金属工件经喷丸或其他表面处 理（渗碳、渗氮等）后，在表面将形成残余压应 力层，削弱了表面微缺陷和残余拉应力的有害作 用，可提高工件的疲劳寿命。又如淬火后的工件 如不及时进行回火处理，淬火产生的残余应力将 使工件变形、开裂而报废。 随着残余应力测试技术的发展，残余应力分 析逐渐成为机械制造业中控制和检验产品质量的 必要手段，也是对使用运行设备进行安全检查的 重要方法。因此，残余应力测试技术，在工业、 交通、军事等部门日益普遍受到重视。
一般情况下，材料的应力状态并非是单轴应 力那么简单，在其内部单元体通常处于三轴 应力状态。由于X射线只能照射深度10-30μm 左右的表层，所以X射线法测定的是表面二维 的平面应力。 根据弹性力学，在一个受力的物体内可以任 选一个单元体，应力在单元体的各个方向上 可以分解为正应力和切应力。
适当调整单元体的方向，总可以找到一个合 适的方位，使单元体的各个平面上切应力为 零，仅存在三个相互垂直的主应力σ1、σ2、 σ3。对于平面应力来说（见图10-3），只存 在两个主应力σ1、σ2与试样表面平行，垂直 于表面的主应力σ3 = 0。但是垂直于表面的 主应变ε3不等于零。对各向同性的材料， 有：
1 1 2 3
⎪ ⎨ a 2 = sin ψ sin φ ⎪ a = cos ψ = 1 − sin 2 ψ ⎩ 3
残余应力
残余应力：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，是固有应力的一种。
材料在外力作用下发生不均匀塑性变形后，除去外力，会有残余应力。
固有应力:凡是没有外部作用，物体内部保持平衡的应力。
原因:金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外部因素的作用除去后，在物体内保持平衡而存在。
就是所谓的残余应力.
弹性形变：在外部荷载的作用下，物体发生形变，当去除外部荷载，物体又恢复原状的形变。
塑性形变：在外部荷载的作用下，物体发生形变，当去除外部荷载，物体不能恢复原状的形变。
确切一点，当材料在超过弹性极限的应力作用下，产生的形变在外部荷载取出后不能全部恢复，其中恢复的部分叫弹性形变，没有恢复的那部分叫塑性形变。
塑性形变的机理：
材料由于多种原因，内部分子或原子结构会存在各种缺陷，当受到较大外部荷载作用时，就会发生不均匀形变，本来相互牵连在一起的稳定整体，在形变量不同的部位之间就会产生相互平衡的弹性应力，这种应力在外部作用除去后不会消失，称作残余应力。
而正是残余应力使得形变不能恢复。
残余应力分类与评估
目录1 残余应力 (1)1.1 残余应力的定义及分类 (1)1.2 残余应力的本质 (1)1。
3 残余应力的影响 (1)2 残余应力的消除方法 (3)3 残余应力的测定与评估 (4)3。
1无损检测法 (5)3。
1。
1 钻孔法 (5)3。
1。
2 环芯法 (6)3。
1。
3 剥层法 (6)3。
2无损检测法 (6)3。
2。
1 X射线衍射法 (6)3.2.2 中子衍射法 (7)3.2.3 超声波法 (8)3。
2。
4 磁测法 (9)1 残余应力1.1 残余应力的定义及分类构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力,当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用于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称为残留应力或残余应力。
可以说残余应力就是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。
残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类:①宏观残余应力,又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类,即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力(又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。
1。
2 残余应力的本质一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的,是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变,晶格畸变很大程度上是由位错引起的.在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力,但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化,形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。
产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。
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
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）。
残余应力分析报告
残余应力分析报告1. 引言残余应力是指材料在外力作用后，去除外力后仍然存在的应力。
它是材料内部微观结构产生的结果，对材料的性能和稳定性具有重要影响。
残余应力分析是研究材料力学行为的重要手段，可以帮助我们了解材料的变形特点和失效机制。
本报告将介绍残余应力分析的基本原理和方法，并结合实际案例进行分析。
2. 残余应力的产生机制残余应力的产生可以归结为以下几个方面：2.1 热应力材料在冷却过程中由于温度梯度而产生的热应力是导致残余应力的主要原因之一。
当材料的不同部分受到不同的温度影响时，会出现不均匀的热膨胀，从而引起应力的产生。
2.2 加工应力加工过程中的机械变形也会导致残余应力的产生。
例如，材料的塑性变形、切削加工和焊接等过程中，由于材料受到外力作用而发生形变，一旦去除外力，材料便会维持一定的应力状态。
2.3 相变应力材料的相变过程也会引起残余应力的产生。
例如，金属在固相转变时，由于晶格结构的变化，会引起应力的产生。
3. 残余应力分析方法残余应力分析可以采用多种方法，常见的有以下几种：3.1 X射线衍射方法X射线衍射方法是一种常用的非破坏性测试方法，可以通过测量材料晶体的衍射图样来分析残余应力。
通过对衍射峰的位置和强度进行分析，可以确定残余应力的大小和分布情况。
3.2 高能同步辐射方法高能同步辐射方法是一种精密的残余应力分析方法，可以提供更高的分辨率和更精确的测量结果。
该方法利用高能同步辐射源产生的高强度辐射束，通过测量辐射束的散射特性来分析残余应力。
3.3 数值模拟方法数值模拟方法是一种基于数学建模和计算机仿真的分析方法，可以通过建立材料的力学模型和边界条件来计算残余应力。
该方法可以通过调整模型参数和边界条件来模拟不同情况下的残余应力分布。
4. 残余应力分析案例分析以某航空发动机叶片为例，进行残余应力分析。
通过X射线衍射方法对叶片进行测试，得到了残余应力的分布情况。
结果显示，叶片的根部和尖部存在较大的残余应力，而中部相对较小。
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。
第10讲残余应力ppt
变形程度和残余应力能量的关系曲线 1.第一、第二及第三种残余应力总能的变化曲线；2.第一种残余应力能量变化曲线；3.第二及第三种残余应力总能量变化曲线
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第五章 塑性变形的不均匀性
主要内容 Main Content 变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力
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5.4 残余应力
残余应力的概念 变形条件对残余应力的影响 残余应力引起的后果 减小残余应力影响的措施 残余应力的测定方法
变形与钻孔横断面积关系
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纵向应力 切向应力 径向应力 式中
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变形条件对残余应力的影响
残余应力与附加应力一样也同样受到变形条件的影响。其中主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等等。
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变形温度
在确定变形温度的影响时应注意到在变形过程中是否有相变存在。若在变形过程中出现双相系时，将会引起第二种附加应力的产生，从而使残余应力增大。 但在一般情况下，当变形温度升高时，附加应力以及所形成的残余应力减小。温度降低时，出现附加应力和从而出现残余应力的可能增大。因此，即使是对单相系金属也不允许将变形温度降低到某一定值以下。 在变形过程中温度的不均匀分布是产生极大附加应力的一个原因，自然也是产生极大残余应力的一个原因。如果变形过程在高于室温条件下完成时，具有某一数值的残余应力时，则此残余应力会因物体冷却到室温而增加。
X射线晶体学 第12章 残余应力测量 图文
主应力（或主应变）与分量的关系。 为求出式中的斜率M，至为0°~45°法； 也可以使用四点法，即0°、15°、30°、45°；
或者采用六点法，即0°、0° 、15°、30°、45°、45°。这是因为
回火(包括稳定化处理等）和振动时效(Vibration Stress Relief，简称VSR)是目前常用且比较有效的消除残余应 力的方法。
若对存在残余应力的试件加热，则残余应力将随加热温 度的升高而不断降低。
当回火温度超过500℃时，各种碳钢的淬火残余应力基本 上接近于零。
对那些合金元素较多，回火稳定性好的钢则需加热到更 高的温度，具体温度可查阅有关手册。
第二类应力是平衡于晶粒尺寸范围内的应力，相当于各个 晶粒尺度范围（或各晶粒区域）的内应力的平均值，可归 结为各个晶粒或晶粒区域之间的变形不协调性。这类应力 通常使x射线衍射谱线展宽（也可能使衍射谱线位移）。
第三类应力是平衡于单位晶胞内的应力，是局部存在的内 应力，围绕着各个晶粒的第二类应力值的波动。对晶体材 料而言，它与晶格畸变和位错组态相联系。这类应力使X射 线衍射强度下降。
通过加热来消除残余应力的方法适用于各种形状的工件， 但大型工件受加热炉炉膛尺寸的限制，可以采用机械加 工的方法，如喷砂喷丸处理，使工件表层由拉应力改变 为压应力，提高工件抗应力腐蚀性能。
2. 残余应力的测量原理
X射线应力测定的基本原理由俄国学者AKCEOИOB于 1929年提出，它的基本思路是，一定应力状态引起的材 料的晶格应变和宏观应变是一致的。
晶格应变可以通过X射线衍射技术测出；宏观应变可根 据弹性力学求得，因此从测得的晶格应变可推知宏观应 力。
日本成功设计出的X射线应力测定仪对于残余应力测试 技术的发展作了巨大贡献。
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。
切削加工中残余应力产生的原因及影响残余应力的因素
切削加工中残余应力产生的原因及影响残余应力的因素什么是残余应力？残余应力是指在没有外力作用的情况下，在物体内保持平衡而存留的应力。
残余应力分为残余拉应力（+σ）和残余压应力(-σ)。
为了区别表层的残余应力与物体内层金属中的残余应力，因此表层残余应力的符号相反。
切削加工后的已加工表面常有残余应力。
关于残余应力的发生机理，从理论上定量分析目前还存在一些困难，以下仅从概念上来定性分析残余应力的产生原因。
1．机械应力引起的塑性变形切削过程中，切削刃前方的晶粒一部分随切屑流出，另一部分留在已加工表面上；在分离处的水平方向，晶粒受压；而在垂直方向则晶粒受拉，故形成残余拉应力。
另外，在已加工表面形成过程中，刀具的后刀面与已加工表面产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产生拉伸塑性变形；刀具离开后，在里层金属作用下，表层金属产生残余压应力。
2．热应力引起的塑性变形切削时，由于强烈的塑性变形与摩擦，使已加工表面层的温度很高，而里层温度很低，形成不均匀的温度分布。
因此，温度高的表层，体积膨胀，将受到里层金属的阻碍，从而使表层金属产生热应力。
当热应力超过材料的屈服极限时，将使表层金属产生压缩塑性变形。
切削后冷却至室温时，表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制．因而使表层金属产生残余拉应力。
3．相变引起的体积变比切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变。
由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。
如高速切削碳钢时，刀具与工件接触区的温度可达600～800℃；而碳钢在720℃发生相变，形成奥氏体，冷却后变为马氏体。
由于马氏体的体积比奥氏体大，因而表层金属膨胀，但受到里层金属的阻碍，从而使表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。
当加工淬火钢时，若表层金属产生退火，则马氏体转变为屈氏体或索氏体，因而表层体积缩小；但受到里层金属的牵制，从而使表层产生残余拉应力。
已加工表面层内呈现的残余应力是上述诸原因所导致残余应力的综合结果，而最后已加工表面层内残余应力的大小及符号，则由其中起主导作用的因素所决定。
残余应力的符号
残余应力的符号1. 引言在材料科学和工程领域，残余应力（Residual Stress）是指在材料内部或表面存在的一种内部力状态，它是由各种外部或内部因素引起的。
这些因素可以是加工过程中的温度变化、相变、机械变形等。
残余应力对材料的性能和行为有着重要影响。
它不仅会影响材料的强度和韧性，还可能导致材料发生塑性变形、裂纹扩展甚至破坏。
因此，了解残余应力的符号及其分布情况对于设计和使用材料具有重要意义。
本文将介绍残余应力的符号表示方法及其相关知识。
2. 残余应力的符号表示方法2.1 数学符号表示法在数学中，残余应力通常用σ表示。
σ可以是正值、负值或零，分别代表拉伸、压缩和无应力状态。
根据约定俗成，拉伸应力用正数表示，压缩应力用负数表示。
2.2 工程符号表示法在工程实践中，为了更直观地描述残余应力的符号，通常使用箭头符号表示。
箭头的方向表示应力的方向，箭头的长度表示应力的大小。
•正应力：箭头指向材料内部，表示拉伸应力。
•负应力：箭头指向材料外部，表示压缩应力。
•零应力：没有箭头，表示无应力状态。
这种符号表示方法能够清晰地展示残余应力在材料中的分布情况。
3. 残余应力的产生机制3.1 加工过程中的温度变化引起的残余应力在加工过程中，材料由于热胀冷缩效应会发生温度变化，从而引起残余应力。
例如，在焊接过程中，焊缝区域会经历高温和快速冷却，导致焊接接头产生残余拉伸应力。
3.2 相变引起的残余应力当材料经历相变（如固态相变、热处理等）时，体积发生改变可能会导致残余应力。
例如，在钢材经历淬火过程后，由于快速冷却导致表面形成压缩层而内部形成拉伸层。
3.3 机械变形引起的残余应力材料的机械变形也是产生残余应力的重要原因之一。
例如，金属材料在冷加工过程中会发生塑性变形，产生残余应力。
4. 残余应力的测量方法为了准确地测量残余应力，科学家和工程师们开发了多种测量方法。
以下是常用的几种方法：4.1 X射线衍射法X射线衍射法是一种非破坏性的测量方法，通过分析X射线在晶体中的衍射模式来确定晶体中的残余应力。
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残余应力
定义
构件在制造过程中，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称为残留应力或残余应力。
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。
残余应力是一种固有应力。
残余应力的测试仪器
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υ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συ和τυ为方向Sυ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（τ13≠0和/或
τ23≠0），则ευψ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）。
如果σ33不等于零, 则sin2ψ斜率与συ-σ33成正比。
在这种情况下，方程（4a）变为：
（图3）
残余应力测量方法
1.[1]盲孔法残余应力测量
它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。
残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。
如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。
它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。
2.磁测法残余应力测量
HK21B型磁测法残余应力检测主要采用盲孔法进行各种材料和结构的
残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。
如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。
它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。
残余应力测试步骤
[2]ASM3.0测残余应力的步骤如下：
1、将应变花按应变计粘贴通用方法准确粘贴在试样测量点上焊好测量导线。
粘贴前试样表面应打磨，但在打磨时不能破坏原有残余应力场。
2、连接应变仪。
将工作片和补偿片分别连接在应变仪的端口上（也可以用待测的应变花作为补偿片），检查各应变片电阻。
3、安装钻具：
将带观察镜的钻具放在试样表面上，必要时开明灯，在观察镜里观察，初步对准应变花中心位置。
然后在钻具支腿与试样接触处滴胶水，胶水固化后拧紧钻具支腿上的锁帽，将钻具固定于试样表面。
再松开锁紧压调X 一Y 方向的四个调节螺钉3 （必须先松后紧），使观察镜的十字线中心在转动观观察时始终与应变花中心保持重合。
最后，锁紧压盖，应变仪重新调零。
4、钻孔：
取下观察镜，将专用端面铣刀的钻杆擦干净，滴上润滑油，（需用缝纫机油，不可使用一般机油），插入钻具的套筒内，用手轻轻转动，划去
钻削部位的应变花基底后，取出钻杆。
此时，每个应变计的应变读数应当变化不大，再次调态电阻应变仪的零点。
将配置中1 . 5 钻头的钻杆擦干净，滴上润滑油（需用缝纫机油，不可使用一般机油）插入钻具套筒内，松开钻杆上的定位卡圈，在钻杆卡圈与钻具套筒间塞入厚度2 mm 的钻孔深度控制垫块，使钻头与工件接触后固定卡圈。
除去2 mm 的垫块，连接好手电钻，调压器调至60 一70V ，即可开钻。
保持合适的压力，钻至卡圈与夹具套筒间贴合，即预定孔深，拔出钻杆。
拔出钻杆过3 ——5 分钟，当应变仪指示稳定时，即可测出应力、应变和残余应力示值。
分类
按应力产生的原因分类有：
(1) 热应力
铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁筋板部分较薄，其横向端面如图一所示。
铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩的小。
薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。
因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。
这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。
铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。
铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。
但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。
应力方向发生了变化。
这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。
这个应力是由于各部分薄厚不同。
冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。
在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。
(2) 相变应力
常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。
厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。
而薄壁与其相反。
在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于塑性状态，应力虽然不断产生，但又不断被塑性变形所松弛，应力并不大。
当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(既γ-Fe变为a-Fe)，比容由
0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。
同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。
上述的两种应力，是在1153℃ 和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。
相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反，相变应力被热应力抵消。
在共析转变以后，不再产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。
(3) 收缩应力(亦叫机械阻碍应力)
铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。
由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。
收缩应力一般不大，多在打箱后消失。
按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：
（1）第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。
例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。
这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1%左右。
（2）第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。
其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。
这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。
（3）第三类内应力，又称点阵畸变。
其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。
变形金属中储存能的绝大部分（80%~90%）用于形成点阵畸变。
这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。