10第十讲 残余应力
第十章_残余应力测量-精品
tg22312 12
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钻孔附加应变的测量
钻孔附加应变需要用经过充分退火的零应力块预先 测量
常见材料和残余应力应变花的钻孔附加应变已经测 出，可以查表。
它实际上与钻孔人的技术、钻头锋利程度、钻头的 钻孔次数都有极大的关系
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10-5 试验技术
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2、降低构件的尺寸稳定性和加工精度 残余应力与工作应力叠加后达到屈服，发生 塑性变形
金属加工使残余应力释放，发生变形
3、受压构件提前失效 两种应力叠加使构件局部先达到临界应力而失 稳
4、结构疲劳强度受影响 一般使交变载荷下的疲劳强度降低，
但：残余压应力使疲劳强度大大提高。如链条
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10-6 误差
1、应变计灵敏系数极其分散度 2、应变计热输出 3、钻孔对中偏差 4、孔径、孔深偏差 5、附加应变 6、沿表明、厚度方向的应力梯度
残余应力的误差一般可以达到5～10％，甚 至更大。
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喷沙打孔
用气沙混合气流磨蚀－－喷沙打孔 采用回转喷嘴打孔装置 孔径： 1～3mm 附加应变： 2.9±2.1 μm/m 45#钢 -1.9 ±5.6 μm/m 不锈钢
按平面应力状态的广义虎克定律有 沿贴片方向的释放应变 r E1(r)
r E 1 {1 22 [ ( 1 )a r 2 2 ]1 22 [ 3 ( 1 )a r 4 4 4 r a 2 2 ]c2 o }s
引入释放系数
A(1)
10-5-1 应变计
如右下图专用残余应力应变计 各片应变计到中心距离相同
(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）。
残余应力的分类
残余应力的分类众所周知，振动时效在消退和均化残余应力，稳定工件的尺寸精度方面具有特别好的作用，残余应力是什么？残余应力如何分类？本文介绍了什么是残余应力，从应力相互作用或平衡范围，金属学，应力产生的工艺过程，引起应力的工艺机构，物理学，应力存在时间的长短六个方面对残余应力进行了分类。
一、残余应力按按应力相互作用或平衡范围分类：1.第一类残余应力或称宏观应力应力存在的区域具有宏观特征，在物体全部或部分范围内平衡2.其次雷残余应力或称显微应力应力存在的区有具有微观特征，在物体的晶粒范围内平衡。
3.第三类残余应力或称超显微应力，应力在个别晶格内平衡。
二、按金属学分类1.体积应力与宏观应力对应2.组织应力与显微应力对应3.镶嵌应力与超显微应力对应三、按应力产生的工艺过程分类1.铸造残余应力2.焊接残余应力3.压力加工残余应力4.切削加工残余应力5.热处理残余应力6.镀层残余应力7.表面硬化处理残余应力8.校直残余应力等本文主要从引起应力的工艺机构，物理学，应力存在时间的长短对残余应力进行分类。
按引起应力的工艺机构分类 1.结构应力由于结构设计、几何外形和尺寸等缘由而引起的零件残余应力2.工艺应力由于零件制造工艺和使用过程中的某些缘由而引起的残余应力按物理学分类 1.热应力或温度应力由于零件不匀称的冷却或加热过程中温度梯度的影响，使零件产生不匀称的收缩或膨胀所引起的残余应力。
2.相变应力由于金属材料进行相变或集中过程而形成的的应力3.加工应力零件加工时，受切削力的作用所产生的塑性变形而引起的残余应力按应力存在的长短分类 1.临时应力在零件制造工艺过程中发生又随工艺过程的结束而消逝的应力2.永久性应力在零件制作过程的某一阶段产生，但当此过程结束后，一部分应力仍旧保留在零件内部而形成的残余应力。
残余应力
残余应力不可能完全消除。例如对于一些铸造机床的 床身，要想自然消除残余应力，需要很长的时间，但是仍 然不能完全消除。特别是对于一些大型的焊接件，例如桥 梁，船舶，更没有办法通过热处理来消除残余应力，但是 这些构件对于安全性要求有很高，因此有必要对残余应力 进行研究。
1.2 残余应力的测量方法
残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏 无损伤测量法两种。机械释放测量法，是将具有残余应力 的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，然后测量其 应变的变化求出残余应力。它主要包括盲孔法、切条法、 逐层去层法等。其特点是测量的精度较高，但对构件的损 伤较大。非破坏性方法，包括X射线衍射法、中子衍射法、 磁性法、超声波法等。其特点是对被测构件无损害，但成 本较高。 其中以盲孔法发展较为成熟，近年来科学工作者对其 做了大量的工作，从测量原理到实际操作中的各种工艺因 素、误差来源等进行了深入的研究，使其日趋完善，目前 已成为工程上最通用的残余应力测量方法。
1
co s 2 sin 2 B
(f)
由（d）式可以得到
1 2 ( ) 2 2A 1
1
(g )
联立（f）和（g）式，得
1 1 2 ( ) 1 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2 1 1 1 2 ( ) 2 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2
2 .1 .5 b
式中A、B成为应变释放系数。释放应变表达式（2.1.5a） 式可以写成
r A ( ) B ( ) co s 2
1 2 1 2
(2 .1 .6)
1 2
对图2.1.2所示的残余应变计， , 则三个敏感栅方向的释放应变分别为
第十章_残余应力测量-精品
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10-4 附加应变
钻孔加工会由于挤压切削而产生钻孔附加应变，它 与由残余应力而产生的释放应变一起被测到，即：
仪s F 附加应变
附加应变需要预先去掉 释放应变
s 仪F
再代入残余应力的计算 式中
1 ,2 1 4 A 2 4 1 B(1 2 )2 [23 (1 2 )2]
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1、
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2、
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应力状态 r01 221 22co2s
01 221 22co2s
钻通孔后应力r0
12
2
sin2
r11 22(1 a r2 2)1 22(1 3 r a 4 4 4 a r2 2)c2 os
11 2 2(1a r2 2) 1 2 2(13 r a 4 4)co 2 s
3
r 2 A (1 2 ) B (1 2 )c2 os290
r3 A (12 ) B (12 )s2 in3 225
可以解出 1 ,2 1 4 A 2 4 1 B(1 2 )2 [23 (1 2 )2] tg22312 12
2、磁测法
应力使晶格发生形变，导致磁导率、电阻率等发生变化，测量 它们即可得残余应力。
特点：真正无损，设备简单，使用方便，可以深入有限厚 度的材料；但是仅对铁磁材料才能用，空间分辨区域较大 －－与探头直径相当。
精度：以90％置信度，绝对误差可小于σs/7
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3
3、声弹性方法 利用应力对超声波波速的影响，通过建立应力－ 声速关系来计算物体的内部应力。
残余应力
减小材料在加工和处理过程中所产生的不均 匀变形；
对加工件进行热处理；
进行机械处理。
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Lesson Ten
减小不均匀变形
正确选定变形的温度－速度制度 减小金属表面上的外摩擦 合理设计加工工具形状 尽可能保证变形金属的成分及组织均匀 ……
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Lesson Ten
侵蚀试样所用的溶液，对于含锡青铜可用水 银及含水银的盐类，对于钢可用弱碱及硝酸 盐类。
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Lesson Ten
在判断应力的形式时，若出现横向裂纹，则 可认为是纵向应力作用的结果，若出现纵向 裂纹，可认为是横向应力作用的结果。在实 际中准确地确定裂纹出现的时间比较困难， 不过与其它机械法相比较，还是可以定性地 看出破裂时间与残余应力的关系。
X射线法
Lesson Ten
在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。
在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定 性地确定残余应力。当无残余应力存在时， 各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各 干扰斑点伸长，呈“星芒”状。
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Lesson Ten
铝晶体的劳埃图
（a）铝晶体未变形的劳埃图；（b）铝晶体塑性变形后的劳埃图
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Lesson Ten
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Lesson Ten
根据公式
1 r 和 2 r 绘制这些数值与钻孔剖面积F的关系曲线。
并用作图法求出此曲线上任一点的导数
d1 和 d 2 。
dF
dF
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Lesson Ten
变形与钻孔横断面积关系
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残余应力的产生与消除
残余应力的产生、释放与测量一、残余应力的产生产生残余应力的原因归结为三类：一是不均匀的塑性变形;二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。
根据产生残余应力机理的不同，可将其分为热应力和组织应力，车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。
由于构件内、外部温度不均，引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。
热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的，淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。
在相同冷却介质的情况下，淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大，均能导致淬火件内外温差增大，热应力越大。
而加工过程中，由工件内外组织转变的时刻不同多引起的内应力成为“组织应力”。
淬火时，表层材料先于内部开始马氏体的相变，并引起体积膨胀，由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制，于是在试样表层产生压应力，心部产生拉应力。
随着冷却的进行，心部体积膨胀有收到表层的阻碍。
随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大，在某个瞬间组织应力状态暂时为零后，式样的组织应力发生反向，最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。
组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。
二、残余应力的释放针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。
通常调整残余应力的方法有：①自然时效把工件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。
一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。
但由于时效时间过长，一般不采用。
②热时效热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。
第十讲残余应力
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激励机床系统产生振动运动的交变力是由切削过程产生的。 切削过程同时又受机床系统的振动运动控制，机床系统的振
动运动一旦停止，动态切削力随之消失。 如果切削过程很平稳，即使有自激振动条件，没有交变的动
态切削力，自激振动不可能产生。 偶然性外界干扰（工件材料硬度不均匀、加工余量有变化等
）总是存在，其产生的切削力变化，使系统产生振动运动。
29
30
例题： 试解释磨削淬火钢时，磨削表面层的应力状态与磨削深 度的试验曲线。
31
参考： 当ap<0.01时，表面强化的冷态塑性变形引起表层比容 增大占主导地位，故表层有较小的压应力（负）。
当0.01<ap<0.05时，磨削表面温升增高，此时表层热作用， 高温塑性变形及表层的回火组织（索氏体或屈氏体）都使表层 的比容缩小，故表层产生较大的拉应力（正）。
Fy Fa Fv 假设 Fv 具有负摩擦特性，即 vm 越大，Fv 越小。
O1 为振入运动的平衡点，即：(Fyo1 Fao1 Fvo1) F弹o1 B点为振入运动的终止点：y&B 0
4
三 表层金属的残余应力 （一）原因
刀具切金属---表层金属的纤维被拉长---刀具后刀面与 已加工表面的摩擦加大这种拉伸作用。
刀具切离后---拉伸弹性变形恢复---拉伸塑性变形不能 恢复---表层金属的拉伸塑性变形---受到相连里层未发生塑 性变形金属的阻碍---表层产生压缩残余应力---里层拉伸残 余应力。
切削过程中的冲击等（切入、切出产生冲击，加工断续表面发 生周期性冲击）
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（二） 强迫振动的特性 频率： 与干扰力的频率相同，或者是干扰力频率的整数倍。 幅值：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。
关于残余应力的基本概念.ppt
左图为拉伸至一定的应变水平后卸载，因为E不同、σs不同 、n不同所造成的结果。 右图为拉伸至一定的应力水平后卸载，因为E不同、σs不同 、n不同及εp所造成的结果。
造成材料不均匀变形的原因主要有：
i)冷热变形时沿截面弹塑性变形不均匀； ii)工件加热、冷却时不同区域的温度分布不均匀，导致
热胀冷缩不均匀； iii）热处理时不均匀的温度分布引起相变过程的不同时
性。
二、X射线应力测定的基本原理
X射线应力测定——用X射线衍射技术来测定材料中 的残余应力（或外载应力）
优点：①属于物理方法，不改变原始的应力状态。 ②理论严谨。 ③方法成熟。
缺点：①测定的是表面应力。 ②对材料的表层状态比较敏感。
关于残余应力的基本概念 和X射线应力测定的基本原理
绍兴文理学院 张定铨
从事X射线应力测定工作所需要的基础知识包括：
（一）力学基础知识 （二）金属材料基础知识 （三） 金属物理基础知识 （四） 工程实践知识
一、残余应力的基本概念 １、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。
ii)衍射园锥
图5法线园锥和干涉园锥形成的示意图
法线园锥： 由有利位向的晶粒中能产生干
涉的、指数为（hkl）的晶面法线 形成，园锥的顶角为2η。，η。 为入射线（或衍射线）与晶面法线 之间的夹角。
干涉园锥： 由从上述（hkl）晶面产生的干涉 线形成，该园锥的顶角为4η。
iii)入射线、衍射线、晶面法线和材料表面法线间的角度关系
2、产生
残余应力是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均 匀的弹塑性变形而引起的，或者说是材料的弹性各向异 性和塑性各向异性的反映。
(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。
残余应力基本知识
按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应 力分为三类
第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很 多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡 的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和 内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸 变化。 • 第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒 或晶粒内部的区域）的内应力。 • 第Ⅱ类内应力是存在于极小范围（几个原子 间距）的内应力。
1 2 2 3 tan 2 1 3
（25）
式中A、B称为释放系数，从A、B的表达式中可以看出， 它们包括了材料弹性常数E和μ，并受小孔半径a和敏感栅 中心到孔中心距离r的影响。
实际工作中，被测工件的厚度比孔径大很多，多半采用 盲孔法。经有限元计算证明，盲孔孔边附近的应力分布 与通孔时的分布形式类似。只是应力集中系数在数值上 存在差别。所以钻盲孔时应力和应变之间的关系仍可用 式（23），（24）和（25），但A、B释放系数必须用实 验方法标定。
钻孔法的基本原理
如图1所示。一块各 向同性的板材中假定 存在残余应力σr ， 若钻一孔，则孔边的 径向应力释放为零， 孔周围区域的应力也 将重新分布，应力变 化如图。曲线上方阴 影线的区域为释放应 力.由图可见，在孔 边周围区域内释放应 力的剃度很大，离孔 边愈近，释放的应力 愈大。
电阻应变片的工作原理
代入式（12）和（13）可得
r A 1 2 B 1 2 COS 2
C 1 2 D 1 2 COS 2
（18）
（19）
若敏感栅之间的夹角按图2的布置，则有β1=β， β2=β+225°，β3=β+90°，利用式（18），可得到 三个敏感栅侧得的释放应变
•
在工程上通常所说的残余应力就是 第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内 应力的测量技术最为完善，它们对材料 性能和构件质量的影响也研究得最为透 彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也 习惯于按产生残余应力的工艺过程来归 类和命名，例如铸造应力、焊接应力、 热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等 ，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。
残余应力的产生和对策 书籍
残余应力的产生和对策书籍《残余应力的产生和对策》第一章什么是残余应力残余应力是指在物体内部或表面存在的一种剩余应力，它是由于物体经历了外部力的作用或热应变引起的。
这种应力可能会对物体的性能和稳定性产生重要影响。
第二章残余应力的产生机制2.1 材料加工过程中的残余应力在材料的加工过程中，如锻造、轧制、淬火等，由于外部力的作用，会在材料内部产生残余应力。
这些应力可能会导致材料的变形、裂纹甚至破坏。
2.2 热应变引起的残余应力材料在冷却过程中，由于温度变化引起的热应变会导致残余应力的产生。
这种应力可能会导致材料的变形和破坏。
第三章残余应力对物体的影响3.1 对材料性能的影响残余应力会改变材料的力学性能，如强度、韧性等。
这些应力可能会导致材料的脆化、疲劳寿命的降低等问题。
3.2 对结构的影响残余应力可能会导致结构的变形和破坏，从而影响结构的稳定性和安全性。
第四章残余应力的对策4.1 应力退火通过加热材料并保持一段时间，使其内部的残余应力逐渐释放。
这种方法可以有效地减少残余应力，提高材料的稳定性和性能。
4.2 加工控制在材料的加工过程中，合理控制外部力的大小和方向，可以减少残余应力的产生。
例如，在锻造过程中使用适当的温度和应力控制方法，可以降低残余应力的产生。
4.3 热处理通过对材料进行热处理，可以改变其晶体结构，从而减少残余应力的产生。
这种方法可以提高材料的稳定性和机械性能。
第五章结语残余应力是材料工程中一个重要的问题，它对材料的性能和结构的稳定性有着重要影响。
通过了解残余应力的产生机制和对策，我们可以采取有效的方法来减少残余应力的影响，提高材料的性能和结构的稳定性。
在今后的工程实践中，我们应该重视残余应力的问题，并采取相应的措施来解决。
只有这样，我们才能更好地保障工程的质量和安全性。
残余应力
（二）内应力对疲劳强度的影响（见第五章） （三）内应力对机械加工精度的影响 机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在 着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应 力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡使工件产生 变形。加工精度也就受到了影响。 例1：如在焊接丁字形零件上(见图2—121a）加工一个平面，会 引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹 持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才 能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。 例2：焊接齿轮箱的轴孔(见图2—121b)，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机 械加工。
2、圆筒上环形焊缝引起的纵向应力σx分布：与平板不同。 (对圆筒来讲就是切向应力) （1）当圆筒直径与厚度之比较大时, σx的分布和平扳上的情况 相似，见图2—100。 对低碳钢来说σx达到σs （2）当圆筒直径与厚度之比较小时，就有所降低。 原因:由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩 比平板上的焊缝具有更大的自由度。因此纵向应力比平板小。 应力值的大小取决于圆筒的半径R、壁厚以及塑性变形区的宽度 bp。后者与焊接线能量和材质有关。 当壁厚不变，R↓-- σx ↓； bp ↓ -- σx ↑（？）
（二）横向应力σy 垂直于焊缝的横向应力的分布情况比较复杂。 σy：一个是由于焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩所引起的σy/ 另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引 起的 σy平板条对接起来的构件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的 塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。（图2—102 a）
(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）。
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
泄峙蓬鬃歼椎咐素惮甸焊况惹瓦盆牌验怀疡水五脱续祈到先夺雷咬苇尘舱第10讲残余应力ppt第10讲残余应力ppt
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
蔑柏肛褒抹基幌肋内寿半惟哭染壮矽诗越坤累季睛已步刮龄诡浙缠吩走准第10讲残余应力ppt第10讲残余应力ppt
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
买债唐杀匝踌兵滓粱丰靡殃厌吏畔碾震妄荧忻困介寝毡坎器羚御隘饥足缮第10讲残余应力ppt第10讲残余应力ppt
纵向应力 切向应力 径向应力 式中
F
阜斧恕炔炊啄谅睁缕挂陡叼库宣湾苇录室夯娩撩复杨貉桅垢会曼茨威篙聊第10讲残余应力ppt第10讲残余应力ppt
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。
残余应力
残余应力的产生第一章残余应力的产生残余应力是指在没有对物体施加外力时，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。
它是固有应力或内应力的一种。
产生残余应力的机理：各种机械加工工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会产生不同程度残余应力。
下面用力学模型分析残余应力产生的原因。
一、机械加工引起的残余应力这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。
当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。
如图1.1a所示，当一均匀梁受纯弯曲且上下表面进入塑性时，沿横截面各层上的应变分布如aa`线所示。
其中mn部分产生了塑性变形，而no部分仍处于弹性状态。
当外力去除时梁的变形得到恢复，各点的应变也得到释放，但梁的上表面m点深至n 点这一层内已产生塑性变形，设上表面m点的塑性应变为εt，则当截面mm`各点的应变恢复到折线bnon`b`时，整个截面内将不存在应力。
但实际上梁截面内应变分布是以中性层为坐标原点的线性分布，所以当上表面的应变值从εa降至εt时，截面内各点仍有不平衡的弹性应变如△bon所示。
因此梁的变形将继续恢复，并使表面往下某一深度内产生压缩应变如△bpc所示。
这时梁内出现了如图1.1b所示的应力分布。
直到所有的应力在梁轴向总和为零且对o点的力矩为0时，截面处于平衡状态而不再发生变形。
这时沿截面各点出现了正负相间的自相平衡的应力系统，这就是残余应力。
上述分析可见，构件在外力作用下出现局部的塑性变形，当外力去除时，这些局部的塑性变形限制了整个截面变形的恢复，因此产生了残余应力。
这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拔、冷弯等等。
这种残余应力往往是很大的。
二、温度不均匀引起的残余应力这种残余应力的产生主要有以下两种原因：第一是由于温度不均匀造成局部热塑性变形；第二是由于相变引起的体积膨胀不均匀造成局部塑性变形。
1、于热塑性变形不均而产生的残余应力；金属材料在高温下其性能将发生很大的变化，如屈服极限、弹性模量等都随温度的升高而下降。
残余应力知识学习汇总
残余应力的测量方法：超声法
超声波在介质中传播时具有声弹效应，即Fra bibliotek料中的内应力会影
响超声波的传播速率，其大小与材料组织，内应力状态，超声波波
型，传播方向等有关。因此可以根据超声波在试样中传播速率的变
化得到试样的应力分布。
在各向同性材料、小变形、平面应力状态下，超声偏振横波以
及超声纵波在垂直于平面应力作用面的传播速率与主应力之间存在
min
E(3 1) 2a(1 )
E 2b
(3 1)2 (3 1 2 2 )2
····(4)
1 arctan(3 1 2 2 )
2
3 1
式中 max 为最大主应力， min为最小主应力，且 max与 min的夹角
为90°；β为1号应变栅与 max沿顺时针方向的夹角。
应变计介绍
残余应力的消除
一 自然时效 它是把构件露天放置于室外，经过几个月至几年的风吹、日晒、
雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力，长期积 累使构件发生细微的收缩和膨胀‚逐渐积累造成金属晶格缓慢滑移‚并 最终达到释放残余应力的目的。
二 热时效（去应力退火法） 物体内存在的残余应力可用退火、回火等热处理的方式来减小
这是由于工件在热加工过程中的不均匀塑性变形和不均匀体积 变化而产生的。主要包括热的作用产生的不均匀塑性变形和相变 或沉淀析出引起的体积变化。 三 化学变化产生的残余应力
这种残余应力是由于从构件表面向内部扩展的化学或物理化 学的变化产生的。
残余应力对材料性能的影响
残余应力对材料的影响主要有对材料疲劳强度的影响和对工 件尺寸稳定性的影响以及工件加工精度的影响。
应变花介绍
根据应变计粘贴位置的不同，可将应变花分为A、B、C型应变花。
应力和残余应力
应力和残余应力嘿，朋友！你知道吗，应力和残余应力可是个相当重要的话题啊！就好像我们人会有压力和隐藏的情绪一样，物体也有它们自己的“应力世界”。
先来说说应力吧。
应力呢，简单来说就是物体由于受到外力作用而产生的内部抵抗力。
想象一下，一根橡皮筋，你拉它的时候，它是不是会反抗你的拉力呀？这时候橡皮筋内部就产生了应力。
比如，在建筑领域，那些高楼大厦要承受自身的重量以及风的吹袭等各种外力，为了保持稳定，它们的结构内部就存在着各种应力。
再讲讲残余应力。
哎呀呀，这就有点像我们心里的那些过去的小情绪，虽然事情过去了，但还是会在心里留下点痕迹。
残余应力就是在加工或热处理等过程后，留在物体内部的应力。
好比你把一块金属材料进行锻造或者焊接，即使加工完成了，在材料内部还是可能残留一些应力呢。
给你举个例子吧，在汽车制造中，车身的零部件在生产过程中会经历各种工艺，这就可能产生残余应力。
如果不加以处理和控制，这些残余应力可能会导致零部件变形，甚至影响汽车的整体性能和安全性。
这可不是开玩笑的呀！你想想看，如果一辆汽车因为残余应力的问题在路上出了故障，那得多危险啊！这不就像我们心里的那些负面情绪积累太多，最后可能会爆发一样吗？所以啊，对于应力和残余应力，我们可得重视起来。
在实际应用中，工程师们会通过各种方法来测量和控制应力及残余应力。
他们就像是医生，要仔细诊断物体的“健康状况”，然后开出合适的“药方”。
有时候，他们会采用热处理的方法来消除残余应力，让物体恢复到一个更稳定的状态。
总之，应力和残余应力可不是什么小事情，它们关系到我们生活中的很多方面。
从小小的零件到庞大的建筑，都离不开对它们的研究和控制。
你说，我们能不重视它们吗？朋友，现在你对它们是不是有了更清楚的认识啦？。
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5
温度 1层高于tp(高塑性温度) 2层在tn（室温）和tp之 间 1层低于tp
变化 1层处于完全塑性状态 2层受热后自由膨胀，产生瞬时压缩残余应力， 而3层则产生瞬时拉伸残余应力。如4-19b所示 1层转变为不完全塑性状态，收缩产生拉伸残 余应力，2内压缩残余应力增大，如4－19c所
示
1层继续冷却 1层继续收缩，拉伸应力加大，2层的压缩应力
，
28
参考： （） 考 虑 刀 具 几 何 形 状 加 工 表 面 上 的 复 映 ， 1 只 在 可 按 刀 尖 残 留 面 积 的算 公 式 求 , 计 f f Rz , ' ctgK r ctgK r f Rz ( ctgK r ctgK r ) 0.012mm / r
'
焊缝等。
22
四 表面强化工艺
（二）滚压加工
淬硬和精细研磨滚轮、滚珠----常温挤压---凸起
部分向下压---凹下部分往上挤----前工序留下的
波峰压平---修正工件表面的微观几何形状----金
属组织细化---形成压缩残余应力
23
24
例题： 为什么机器上许多静止连接的接触表面（车床床 头箱与床身结合面，过盈配合的轴与孔表面等）， 往往都要求较小的表面粗糙度，而有相对运动的 表面又不能对粗糙度要求过小？
有自激振动条件－－持续振动运动。 电动机－－通过动态切削－－传能量到振动系统。 自激振动特点： 1）没有外力（相对切削过程）干扰下产生的。 2）频率接近于系统固有频率（强迫振动不同）。
3）不因阻尼存在而衰减（自由振动会）。
自激振动模型
振入：一个振动周期里，背吃刀量由小到大的 过程。 A->B
振出：一个振动周期里，背吃刀量由大到小的 过程。 B->C
正前角车刀，45钢在所有切削速度下，表层产生拉伸残余应
力。但是其他材料并不如此。
低速车削---切削热主导---表层拉伸残余应力 切削速度提高---表层温度达到淬火温度---局部淬火---比
容增大---金相组织变化---拉伸残余应力减少。
高速切削---表层淬火充分---比容增大---金相组织变化主
导---表层压缩残余应力。
10
影响车削表层金属残余应力的工艺因素
2 进给量的影响
进给量加大---表层金属塑性变形增加---切削区热 量增加---残余应力数值和扩展深度均增大 3 前角的影响 前角对表层金属残余应力的影响极大。
见图4-22
11
12
影响磨削残余应力的工艺因素
磨削加工：塑性变形严重、热量大、工件表面温度高，热因素和塑
40
（二） 强迫振动的特性
干扰力频率接近工艺系统某一固有频率，幅值明显增大。
干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同，系统共振。
改变运动参数或工艺系统的结构----干扰力频率发生变化或 工艺系统某阶段固有频率发生变化----干扰力频率远离固有 频率----强迫振动幅值明显减少。
41
激励机床系统产生振动运动的交变力是由切削过程产生的。
( 2) 实 际 切 削 加 工 时 ， 由 物 理 因 素 （ 如 塑 性 变 ， 于 形 切 削 热 ， 刀 瘤 及 鳞 刺） 的 参 与 及 系 统 的 振会 等 动 改 变 刀 尖 残 留 面 积 的廓 形 状 ， 并 加 大 表 面平 度 轮 不 的 平 均 高 度 z。 R
29
30
例题： 试解释磨削淬火钢时，磨削表面层的应力状态与磨削深 度的试验曲线。
序的加工方法。
交变载荷作用---表面存在局部微观裂纹---拉应力会使 原生裂纹扩大，导致零件断裂---从抗疲劳破坏考虑--最终工序应产生压缩残余应力为好
19
工作条件
破坏形式
表面应力引起 原因
加工时 对策
最终 加工方法 磨削 -> 淬火 镀铬， 镀铜， 车削* 镀铬， 镀铜， 车削*
交变载荷
断裂
表面存在局部 表面压残余应力 微观裂纹 见图 4－24a 综合作用 见图 4－24b 综合作用
25
参考：
由于静止连接的接触表面的粗糙度影响接触刚度及配合 性质，因此接触表面要求较小的表面粗糙度。
对有相对运动的表面，当表面很光滑时，由于润滑油 被挤出，表面间分子亲和力大，产生“咬焊”作用。表面间 产生相对运动会加剧磨损，所以磨损不但有机械作用，而且 有分子作用。因此有相对运动的表面对粗糙度不能要求过小。 因而零件表面粗糙度存在一个最佳范围，它取决于使用要求， 工作条件及零件材料等。
性变形对磨削表面残余应力影响都很大。
热因素主导---表面拉伸残余应力 塑性变形主导---表面压缩残余应力 工件表面温度超过相变温度又充分冷却---淬火烧伤---金相组织变 化主导---表面压缩残余应力。
精细磨削---塑性变形主导---表面压缩残余应力。
13
1 磨削用量的影响
14
1 磨削用量的影响
相对滑动
磨损
表面拉残余应力 残余应力小
表面层下h深处 压应力 残余应力小
ห้องสมุดไป่ตู้相对滚动
磨损
20
21
四 表面强化工艺
定义:通过冷加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降 低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面产生压缩残余应力。 （一）喷丸强化 大量快速运动珠丸----打击工件表面----表面产生冷硬层、 压缩残余应力----提高疲劳强度、使用寿命。 主要用于形状复杂工件：板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、
4
三 表层金属的残余应力 （一）原因
刀具切金属---表层金属的纤维被拉长---刀具后刀面 与已加工表面的摩擦加大这种拉伸作用。
刀具切离后---拉伸弹性变形恢复---拉伸塑性变形不 能恢复---表层金属的拉伸塑性变形---受到相连里层未发 生塑性变形金属的阻碍---表层产生压缩残余应力---里层 拉伸残余应力。
持续自激振动的原因
Fy Fa Fv
假设 Fv 具有负摩擦特性，即 vm 越大，v 越小。 F
(F O1 为振入运动的平衡点，即： yo1 Fao1 Fvo1 ) F弹o1
31
参考：
当ap<0.01时，表面强化的冷态塑性变形引起表层比
容增大占主导地位，故表层有较小的压应力（负）。 当0.01<ap<0.05时，磨削表面温升增高，此时表层热作用， 高温塑性变形及表层的回火组织（索氏体或屈氏体）都使表层 的比容缩小，故表层产生较大的拉应力（正）。
当ap>0.05～0.06时，由于磨削表层温升很高，且冷却速度
26
例题： 车 削 一 铸 铁 零 件 的 外 表 面 ， 若 走 刀 量 0.5mm / r , 圆 f 车 刀 刀 尖 的 圆 弧 半 径 4mm, 问 能 达 到 的 加 工 表 面 r 粗糙度？
参考： 由于铸铁件加工表面的塑性变形很小，故工 层 加 表面粗糙度主要取决几何因素引起的刀尖留 于 残 面积。 Rz ( 残 留 面 积 高 度 按 下 式 计 算 ： )可 f 2 0.5 2 Rz 0.0078mm 8r 8 4
F 切削力：切削过程中工件对刀具的作用力。 y
Fy Fa Fv Fa 是工件表面层金属的弹、塑性 F 变形产生的抗力。 背吃刀量a越大，a 越大。 Fv是刀具与切屑间的摩擦力。
F 弹力：切削过程中振动系统对刀具的作用力。 弹 F弹 F弹 方向始终向左；背吃刀量a越大， 越小。
相对滑动速度：切屑相对于刀具的相对速度。 vm v0 y 振入取+ ；振出取v0 切屑高开工件的速度； y 刀具振动速度。
机械制造工艺过程 第十讲
1
2
第一部分
1 表层金属的残余应力
2 表面强化工艺
3 实战演练
3
三 表层金属的残余应力 （一）原因 机械加工---表层金属塑性变形---表层金属的 比容增大。
塑性变形只在表层产生---表层金属比容增大和 体积膨胀---受到相连里层金属的阻碍---在表层产 生压缩残余应力---里层金属中产生拉伸残余应力。
27
例题： 高 速 精 镗 内 孔 时 ， 采锋 利 的 尖 刀 ， 刀 具 的 主 用 偏 角K r 45o , 副 偏 角 r 20o , 要 求 加 工 表 面 粗 糙 K 度Rz 3.2( um ), 试 求 ： （） 不 考 虑 工 件 材 料 塑 变 形 对 表 面 粗 糙 度 影 响 1 当 性 时 ， 计 算 应 采 用 的 走量 为 多 少 ？ 刀 （） 分 析 实 际 加 工 表 面糙 度 与 计 算 求 的 粗 糙 度 2 粗 是否相同，为什么？
造成机床或者夹具间的连接部分松动，刚度和精度下降； 发出噪声，影响工人健康。
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一 机械加工中的强迫振动 机内振源： 机床旋转件的不平衡（电动机转子、离合器、卡盘、砂轮等） 机床传动机构的缺陷（齿轮、带、链传动的不均匀）
往复运动部件的惯性力（油泵排除的压力油---脉动---空穴）
切削过程中的冲击等（切入、切出产生冲击，加工断续表
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2 工件材料的影响 工件材料强度高、导热性差、塑性低---拉伸残余应力倾向大。 1）碳素工具刚T8比工业铁强度高、材料变形阻力大 2）磨削时发热量大，导热性差于工业铁，磨削热容易集中于表
层
3）再加上塑性低，热因素作用明显，拉伸残余应力倾向比工业
铁大。
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工件最终工序加工方法的选择
工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工
负摩擦原理、切削力滞后原理
5 机械加工振动的诊断技术
6 机械加工振动的防治
机械振动
机械振动是指工艺系统或系统的某 些部分沿直线或者曲线并经过其平衡位 置的往复运动。