周益春 宏微观材料力学6

第六章 材料的残余应力

在零件或材料生产过程中，内部不可避免地会产生残余应力(Residual Stress)，其大小和分布随加工或处理方法不同而有很大的差别。

残余应力的影响在制造过程中就可以表现出来。例如零件翘曲变形或开裂，都与制造工艺规范不当造成不合理的残余应力有关。在这种情况下，需要对残余应力进行测定或估计，采用适当的措施来减小残余应力或改进其分布，消除这些工艺缺陷。 残余应力的存在对于材料性能及零件的机械性能产生重大影响。例如表面残余压应力有利于减小回火玻璃中表面裂纹的危害性，模铸塑料制品中的残余应力会造成曝露于溶剂中的塑料制品表面突然破裂；残余应力会改变塑性材料从弹性行为过渡到塑性行为的载荷点，尤其显著地影响金属材料的疲劳性能。

6.1 残余应力概论

6.1.1 残余应力的产生

6.1.1.1 残余应力的产生原理

残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下，当没有通过物体表面向物体内部传递应力时，在物体内部保持平衡的应力系称为固有应力(Inherent Stress)或初始应力(Initial Stress)。 热应力(Thermal Stress)和残余应力是固有应力的一种。而固有应力也被一些研究者称为内应力(Internal Stress)[1-4]。

现用最简单的例子说明残余应力的产生。图6.1所示是1912年由Martens 、Heyn 等提出的。设有三个弹簧，图6.1(a)为自由状态，图6.1(b)是用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态。此时并没有从外部施加作用力，而各个弹簧之间却产生了相互的作用力。如各弹簧的长度和弹性常数为l 1、l 2、l 3和c 1、c 2、c 3，刚性扳连接后的长度为l 时，则各弹簧上产生的力P 1 、P 2 、P 3分别为)(111l l c p −=；)(222l l c p −=；)(333l l c p −=。P 1 、P 2 、P 3即相当于残余应力，并且0

—

A 部A 部分用任意的操作使之进行

B 的形状。可以想象R 区域内，使其成为(c)所示的那样，(d)所示将R 内。若将施加的这个力释放时，这就是产生残余应实际上残余应力的测定，就使残余应力部分释放或全部释放，用实验方法由释放时所产生的变形求出

残余应力。

6.1.1.2 残余应力的分类

实际残余应力的产生，其原因及过程是多种多样的，且产生的残余应力也报复杂。根据

以往惯例，残余应力可分为如下几类

1． 根据残余应力相互影响的范围大小分为宏观残余应力(Macro Residual Stress)和微观残余应力(Micro Residual Stress)。 (一) 宏观残余应力

宏观残余应力，又称为第一类残余应力．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． (二) 微观残余应力

微观残余应力属于显微视野范围内的应力，依其作用的范围，又可细分为两类：即微观结构应力，或称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的；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。第一、二、三类残余应力与晶体组织

结构的关系可由图6.3来表示。

2． 从产生的原因考虑，暂先把与宏观应力相对应的

叫做体积应力(Body Stress)，把与微观应力相对应的

叫做结构应力(Textural Stress)， 或者叫做同样意义的亚结构应力(Tesselated Stress)。

6.1.1.3 残余应力产生的原因

残余应力产生原因可分为不均匀塑性变形、热应力、相变和化学变化四类，每一类又有外部原因和内部原因两个方面。

1. 机械作用造成不均匀塑性变形 在机械力作用下，物体各部分变形不均匀。有些部分塑性变形大，有些部分塑性变形小，有些部分只产生弹性变形，整个物体又要保持完整性；因而，在外加机械作用卸除后，物体内形成残余应力。

外部原因：不均匀的作用应力。

内部原因：组元的浓度差和不同的晶粒位向差等，各部分显示出不同的屈服行为。 2. 热应力造成不均匀塑性变形

结晶组织

图6.3 三类残余应力的相互关系

如果加热和冷却过程中产生的热应力始终处于弹性阶段，那么这种热应力是可逆的，一旦物体内温度趋于一致，应力就消失。在实际的加热和冷却过程中，物体中高温部分材料的屈服强度很低，受热应力作用而首先产生塑性变形。随后的热应力作用就不具有可逆性。虽然最终物体各部分温度趋于一致，物体内将会形成由热应力造成的残余应力。

外在原因：加热和冷却过程中物体心部与表面间的温度差、厚截面部分与薄截面部分间的温度差。

内部原因：物体内各部分的物理性能不同。

3.不均匀相变

加热和冷却过程中材料内部可能会发生相变，例如淬火处理的马氏体相变，时效处理的沉淀相析出。马氏体相变发生体积膨胀，不均匀冷却过程造成不均匀马氏体相变和体积膨胀，由此形成相变残余应力。沉淀相析出也由于体积变化而产生错配应力场。

外部原因：不均匀加热和冷却。

内部原因：组元的浓度差造成相变不均匀。

4.化学变化

化学变化主要由外部原因造成。例如钢的氮化处理，表面形成氮化物层，它的比容高于钢基体的比容，为了保持物体的完整性，氮化表面层内形成较高的残余压应力，基体内形成残余拉应力。又例如瓷器表面都涂有釉子，釉子的线胀系数高，加热和冷却后，在釉子上形成残余拉应力，有时产生龟裂。大多数裂纹都与另一裂纹连接起来，这种龟裂形貌能使沿垂直于裂纹方向的拉应力消失。

6.1.2 残余应力的调整与消除

构件和结构体的损坏，可以说大多与当时的残余应力有关。当损坏原因不明时，往往过高估计残余应力的影响。残余应力既影响构件的静强度和疲劳强度、脆性破坏和应力腐蚀裂纹等其它破坏强度、而且也影响构件在制造时和制造后的尺寸稳定性，具有残余应力的构件，在二次加工时就会出现歪扭等现象，产生尺寸精度变化的问题。消除残余应力在多数场合下都是为了保证构件的尺寸稳定性。残余应力是随着各种工艺过程不可避免地在构件内产生的，因而它的消除或减小，或使其再分布的调整作为最后工序是重要的。

残余应力的消除或调整，有靠热作用的方法和靠机械作用的方法。热作用法就是通常的退火，通过加热调整组织而使残余应力得到松弛乃至去除的方法。机械方法就是靠施加静的和动的应力，使残余应力减小或再分布。退火是在一定的温度下长时间保温，因而操作费用较高，但能完全消除应力。但另一方面，例如钢在600℃以上退火时，也有脱碳或表面氧化，还有构件软化等不利的缺点。在此对热的和机械的应力消除法的基本事项加以叙述[3-5]。

6.1.2.1用热作用对残余应力进行去除和调整

用加热的方法消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。通常所用的退火就是将构件在较高的适当温度下，保温几小时或几天的时间，然后再缓慢冷却的方法。残余应力消除的过程，有下述两种观点。

一种观点认为材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的。而材料的纵弹性模量亦随之而下降。因此加热时，该温度下的残余应力一旦超过此时的屈服应力，就会发生塑性变形，则认为残余应力将会因这种塑性变形而有所缓和，这时的应力去除是有限度的，被缓和的应力决不可能下降到屈服应力以下。第二种观点认为它是由一般的应力松弛所造成的。这在理论上，只要给予充分的时间，就能把应力完全去除，而且不受应力大小的限制。但在实施上，却必须在某一定温度以上，并保持适当的时间才行。采用这种方法虽可把应力完全去除（其极限是2

±左右），但却必须要同时考虑到材料亦会因之而软化。例如黄铜等在kg/mm

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