位错与残余应力
压痕法残余应力测试
压痕法残余应力测试压痕法残余应力测试是一种常用的测试方法，用于评估材料表面的残余应力。
在材料制备或使用过程中，由于各种因素的影响，材料内部会形成一定的应力场。
这些残余应力可能会影响材料的性能和寿命，因此了解和控制残余应力对于材料工程来说非常重要。
在进行压痕法残余应力测试时，首先需要在待测试材料的表面施加一个样品尺寸相对较小的压痕。
这个压痕通常采用金刚石压头或硬质球体进行，因为金刚石具有较高的硬度和刚性，能够施加较大的压力而不易变形。
通过压痕产生的弹性变形和塑性变形，可以间接地测量出残余应力的大小和分布情况。
压痕法残余应力测试的原理是基于弹性力学和塑性力学的基本理论。
在施加压痕之前，材料表面是没有残余应力的。
但是，由于压痕会引起材料的局部弹性变形和塑性变形，会在其周围产生一定的应力场。
这些残余应力是由变形过程中的弹性回复和塑性留下的位错等缺陷引起的。
通过测量压痕的大小和形状以及周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
通常，在进行压痕法残余应力测试时，会使用光学显微镜或扫描电子显微镜等设备对压痕进行观测和测量。
通过分析压痕的几何形状参数，结合合适的数学模型和理论，可以得到残余应力的精确值。
压痕法残余应力测试在材料科学和工程的许多领域中得到了广泛的应用。
它可以用于评估不同材料的制备工艺对残余应力的影响，以及不同材料在使用过程中的变化情况。
压痕法残余应力测试还可以用于研究材料的应力分布和应力引起的变形行为，进一步理解材料的力学性能和行为规律。
总结回顾起来，压痕法残余应力测试是一种基于压痕的方法，用于评估材料表面的残余应力。
通过测量压痕的大小和形状，以及分析周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
这项测试在材料科学和工程领域具有广泛的应用，对于了解和控制材料的残余应力非常重要。
在本次的文章中，我们介绍了压痕法残余应力测试的基本原理和测试方法。
通过这项测试，可以评估材料表面的残余应力，进一步了解材料的性能和寿命。
(完整版)残余应力产生及消除方法.
残余应力产生及消除方法船舶零件加工后,其表面层都存在残余应力。
残余压应力可提高零件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度,残余拉应力的作用正好相反。
若拉应力值超过零件材料的疲劳强度极限时,则使零件表面产生裂纹,加速零件的损坏。
引起残余应力的原因有以下三个方面: ( 一冷塑性变形引起的残余应力在切削力作用下,已加工表面受到强烈的冷塑性变形,其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出,此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。
切削力除去后,基体金属趋向恢复,但受到已产生塑性变形的表面层的限制,恢复不到原状,因而在表面层产生残余压应力。
( 二热塑性变形引起的残余应力零件加工表面在切削热作用下产生热膨胀,此时基体金属温度较低,因此表层金属产生热压应力。
当切削过程结束时,表面温度下降较快,故收缩变形大于里层,由于表层变形受到基体金属的限制,故而产生残余拉应力。
切削温度越高,热塑性变形越大,残余拉应力也越大,有时甚至产生裂纹。
磨削时产生的热塑性变形比较明显。
( 三金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会引表面层的金相组织变化。
不同的金相组织有不同的密度表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。
表面层体积膨胀时,因为受到基体的限制,产生了压应力;反之,则产生拉应力。
总之,残余应力即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,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,经淬火或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。
当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加,而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。
去应力退火过程中位错运动
去应力退火过程中位错运动去应力退火是一种常用的金属材料处理方法，它通过加热和冷却过程中的位错运动来改善材料的力学性能和内部结构。
位错是金属材料中存在的一种晶体缺陷，它是由于晶体中原子排列不完美造成的。
位错的运动对材料的机械性能有着重要影响，而应力退火可以通过控制位错运动来改善材料的性能。
位错运动是指位错在晶格中的移动和变形过程。
在晶体中，位错可以沿着晶体的滑移面移动，从而改变晶体的形状和结构。
在去应力退火过程中，位错运动起到了重要的作用。
首先，位错运动可以消除材料中的残余应力。
当材料受到外力作用时，会产生应力，这些应力会导致位错的运动。
在应力退火过程中，通过加热和冷却的循环，位错会发生滑移和重组，从而消除材料中的应力。
其次，位错运动还可以改善材料的塑性变形能力。
位错的运动可以使晶体中的原子重新排列，从而改变晶体的结构和形状，使材料具有更好的塑性变形能力。
在去应力退火过程中，位错运动的速度和路径是受到多种因素的影响的。
首先，温度是影响位错运动的重要因素。
在高温下，位错运动速度加快，位错易于滑移和重组，从而加快应力的释放和材料的恢复。
其次，应力的大小和方向也会影响位错运动。
当应力方向与位错的滑移方向垂直时，位错的运动速度较慢，容易产生较大的滞后效应。
而当应力方向与位错的滑移方向平行时，位错的运动速度较快，容易产生位错重组和材料的恢复。
此外，材料的晶体结构和成分也会影响位错运动。
不同的晶体结构和成分会导致位错的运动路径和速度的差异，从而影响材料的力学性能和应力退火的效果。
在实际应用中，去应力退火是一种常用的金属材料处理方法。
通过去应力退火，可以改善材料的力学性能，提高材料的塑性变形能力和抗拉强度。
去应力退火还可以改善材料的内部结构，减少晶体缺陷和杂质的影响，提高材料的耐腐蚀性和疲劳性能。
因此，去应力退火在金属加工和制造领域具有广泛的应用前景。
位错运动是去应力退火过程中的重要现象，它通过滑移和重组来改善材料的力学性能和内部结构。
材料科学基础名词解释中英
《材料科学基础》名词解释AOrowan mechanism （奥罗万机制）位错绕过第二相粒子，形成包围第二相粒子的位错环的机制。
Austenite(奥氏体)碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
B布拉菲点阵除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。
Half-coherent interface（半共格相界）两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面弹性应变能。
这时两相原子部分保持匹配，这样的界面称为半共格界面。
Sheet texture（板织构）轧板时形成的组织的择优取向。
Peritectic reaction（包晶反应）固相和液相生成另一成分的固溶体的反应Peritectic segregation（包晶偏析）新生成的固相的芯部保留残余的原有固相，新相本身成分也不均匀。
Peritectic phase diagram（包晶相图）具有包晶反应的相图Peritectoid reaction（包析反应）由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应。
Cellular structure（胞状结构）成分过冷区很小时，固相突出部分局限在很小区域内，不生成侧向枝晶。
Intrinstic diffusion coefficient（本征扩散系数）依赖热缺陷进行的扩散的扩散系数。
Transformed ledeburite（变态莱氏体）渗碳体和奥氏体组成的莱氏体冷却至727℃时奥氏体发生共析反应转变为珠光体，此时称变态莱氏体。
Deformation twins（变形孪晶）晶体通过孪生方式发生塑性变形时产生的孪晶（BCC，HCP）Chill zone（表层细晶区）和低温铸模模壁接触，强烈过冷形成的细小的方向杂乱的等轴晶粒细晶区。
Burger’s vector（柏氏矢量）表征位错引起的晶格点阵畸变大小和方向的物理量。
Asymmetric tilt boundary（不对称倾斜晶界）晶界两侧晶粒不对称的小角度晶界，界面含两套垂直的刃型位错。
残余应力的产生和对策 书籍
残余应力的产生和对策书籍全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：残余应力是指物体在受力后解除外部载荷的情况下所保留的应力状态，这种应力状态往往会影响物体的性能和稳定性。
残余应力的产生是由于材料在受力或变形的过程中内部的分子结构发生变化，使得材料的原始形态无法完全恢复。
残余应力的存在会导致材料的变形、开裂、变形等问题，严重影响材料的使用寿命和性能。
残余应力的产生是一个普遍存在的问题，在实际生产和应用中必须引起足够的重视。
焊接是一个常见的工艺过程，焊接过程中会引入残余应力，如果没有有效的对策控制，会导致焊接件的变形和破裂。
热处理、塑性加工、注塑成型等工艺也会引入残余应力，在工程设计和生产制造过程中必须认真考虑残余应力的问题。
对于残余应力的产生，我们可以通过以下几种对策进行控制和解决：1. 合理设计和选择材料：在工程设计中，可以根据材料的性能和应用要求合理选择材料，减少残余应力的产生。
合理设计结构，在加工和焊接过程中减少应力的集中和不均匀分布。
2. 控制加工过程：在加工过程中，可以采取一些措施来减少残余应力的产生，例如采用合适的工艺参数和工艺控制，控制加工温度和变形，减少残余应力的积累。
3. 热处理和调质处理：对于产生残余应力的材料，可以通过热处理和调质处理的方法来消除或减少残余应力的产生。
在焊接后进行热处理，使材料重新回复力学性能，消除残余应力。
4. 采用残余应力监测和控制技术：在工程领域中，可以采用残余应力监测和控制技术，对残余应力进行实时监测和控制，及时发现问题并采取相应措施进行处理。
残余应力的产生是一个普遍存在的问题，需要引起工程设计和生产制造等各个领域的重视。
通过合理设计和选择材料、控制加工过程、热处理和调质处理、采用残余应力监测和控制技术等对策，可以有效减少或消除残余应力的影响，提高材料的性能和稳定性。
希望相关领域的从业者和学者能够重视残余应力问题，不断探索和完善相关对策，为实现材料的高性能和高稳定性做出贡献。
退火消除内应力的机理
退火消除内应力的机理引言：退火是一种常见的金属加工工艺，通过加热和冷却过程中的晶格再排列，来消除材料内部的应力。
本文将详细介绍退火消除内应力的机理，以及其在金属加工中的重要性。
一、退火的定义和作用退火是指将材料加热到一定温度，保持一定时间后再缓慢冷却的过程。
通过这种方法，可以使材料内部的应力得到释放和消除，从而提高材料的机械性能和稳定性。
二、退火的机理1. 晶体结构的再排列退火过程中，材料的晶体结构会发生再排列。
晶体内部的位错和缺陷会通过原子的扩散运动，重新分布和排列，从而减少晶界和位错的密度，进而降低材料的内部应力。
2. 晶粒长大和细化退火过程中，晶粒的尺寸会发生变化。
在加热过程中，原子的扩散速度增加，晶粒会长大；而在冷却过程中，原子的扩散速度减慢，晶粒会细化。
晶粒的长大和细化可以改变材料的内部应力分布，进而减小应力集中区域，提高材料的抗应力集中能力。
3. 残余应力的释放退火过程中，材料中的残余应力会逐渐释放。
在加热过程中，材料内部的应力会逐渐减小，达到平衡状态；在冷却过程中，由于晶体结构的再排列，材料的内部应力会进一步减小，直至消除。
三、退火对材料性能的影响1. 提高材料的塑性和韧性退火可以使材料的晶体结构更加均匀和稳定，减少内部应力和缺陷，从而提高材料的塑性和韧性。
在退火后的材料中，原子的扩散能力增强，晶体结构更加完善，有利于材料的变形和形变。
2. 改善材料的硬度和强度虽然退火可以提高材料的塑性和韧性，但同时也会降低材料的硬度和强度。
在退火过程中，晶界和位错的密度减小，晶粒尺寸增大，导致材料的强度降低。
因此，在金属加工过程中，需要根据实际需求来选择合适的退火工艺，以平衡材料的硬度和韧性。
3. 优化材料的微观组织和性能退火可以优化材料的微观组织和性能。
通过合理的退火工艺，可以调控材料的晶粒尺寸、晶界特征和位错密度，从而改善材料的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性。
四、退火在金属加工中的应用退火是金属加工工艺中不可或缺的环节。
(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。
位错与残余应力
50μm 15 mm
15 mm
- 三点基本共识
- 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 -
-
- 简化冷却会有什么后果 ？
报 告 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补 提 多晶硅锭位错主要在什么时候形成 ？结晶时？冷却时？ 纲
- 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
On completion of solidification, the temperatures of the top and the bottom differ greatly. Development of thermal stress is inevitable in cooling, as the change of temperature can not keep synchronized. ~1410 C
报 告 提 纲
共识1：位错运动增殖总是伴随屈服变形和 应力释放
反过来说位错运动增殖是晶体屈服变形、释 放应力的微观机制.
共识2：启动位错增殖所需最小应力（屈服应力） 随温度提高急剧下降
120
100
Critical shear stress (MPa)
Brittle / Plastic transit： ～750 C
横向晶界并不可怕，纵向切硅片做电池并没 有更差。
位错是问题，晶界不是问题
铸造多晶硅片位错密度和有效少子寿命分布图
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化的好处和风险 - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
Dislocation Multiplication Rate (k0/m s)
形变硬化机理
形变硬化机理
形变硬化，也称为冷加工硬化或应变硬化，是金属和合金在塑性变形过程中强度和硬度增加的现象。
这一过程通常伴随着材料延展性的降低。
形变硬化的机理可以从微观结构的变化来解释，主要包括以下几个方面：
1. 位错密度的增加：在塑性变形过程中，位错（晶体中的线性缺陷）的数量会显著增加。
位错在晶体中移动时，它们之间会发生相互作用、缠结和堵塞，从而使得后续位错的移动更加困难，增加了材料的强度和硬度。
2. 晶粒细化：塑性变形可以导致晶粒的细化，即晶粒尺寸减小。
晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，晶界可以作为位错运动的障碍，从而提高材料的强度。
3. 固溶强化：在塑性变形过程中，固溶在基体中的原子可能会重新分布，部分聚集到位错附近，形成所谓的柯氏气团（Cottrell atmospheres），这些气团可以钉扎位错，增加位错运动的阻力。
4. 织构变化：塑性变形可能会导致晶体学取向的改变，形成特定的织构。
这种织构变化可能会影响到材料的各向异性，进而影响其力学性能。
5. 残余应力：塑性变形过程中，材料内部会产生残余应力。
这些应力可能在微观尺度上分布不均，但它们会对材料的宏观力学行为产生影响。
6. 缺陷结构的形成：除了位错之外，塑性变形还可能导致其他类型的晶体缺陷，如空位、间隙原子和层错等。
这些缺陷也会对材料的力学性能产生影响。
形变硬化的程度取决于材料的初始状态、变形量、变形方式以及变形温度等因素。
在某些情况下，过高的形变硬化可能会导致材料变脆，降低其工程应用的性能。
因此，通常需要在形变硬化后进行适当的热处理，以恢复材料的某些塑性和韧性。
残余应力对金属材料磁性能的影响
残余应力对金属材料磁性能的影响残余应力对金属材料磁性能的影响残余应力是指在金属材料中存在的非零应力，它是由于加工、热处理或其他原因引起的。
残余应力可以对金属材料的磁性能产生影响，下面我们将逐步地探讨这种影响。
首先，残余应力可以改变金属材料的晶格结构。
晶格结构是金属材料中原子的排列方式。
当金属材料经历加工或热处理过程时，原子之间的相互作用会发生变化，进而改变晶格结构。
这种改变可以导致金属材料的磁性能发生变化。
例如，当金属材料中存在残余拉应力时，其晶格结构可能发生拉伸，导致磁性能的改变。
其次，残余应力可以影响金属材料的磁畴结构。
磁畴是指在磁性材料中具有相同磁化方向的一组原子。
磁畴结构的改变可以直接影响金属材料的磁性能。
当金属材料存在残余应力时，磁畴的大小和方向可能发生变化，导致磁性能的改变。
例如，当金属材料中存在残余拉应力时，磁畴的大小可能会增大，从而增强材料的磁性能。
此外，残余应力还可以改变金属材料中的位错密度。
位错是指材料中存在的晶格缺陷，它可以影响材料的物理性质，包括磁性能。
当金属材料存在残余应力时，位错密度可能发生变化，进而影响磁性能。
例如，当金属材料中存在残余压应力时，位错密度可能会减小，导致磁性能的改变。
最后，残余应力还可以影响金属材料的磁滞回线。
磁滞回线是指在外加磁场下，材料磁化过程中磁化强度随时间的变化曲线。
残余应力可以改变金属材料的磁滞回线形状，进而影响材料的磁性能。
例如，当金属材料中存在残余应力时，其磁滞回线形状可能会变得更加宽阔，表示材料的磁化难度增加，磁性能下降。
综上所述，残余应力可以通过改变金属材料的晶格结构、磁畴结构、位错密度和磁滞回线形状来影响材料的磁性能。
了解这种影响有助于我们更好地理解金属材料的磁性质，并为金属材料的应用提供指导。
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
无损检测技术中的残余应力测量与分析方法剖析
无损检测技术中的残余应力测量与分析方法剖析残余应力是指在物体内部存在的，由于外部加载和热应变引起的应力状态。
残余应力的存在对材料的性能和稳定性有着重要影响，因此在工程领域中需要对其进行准确测量和分析。
无损检测技术在残余应力测量与分析中起到了重要的作用，本文将对无损检测技术中的残余应力测量与分析方法进行剖析。
一、X射线衍射法X射线衍射（XRD）技术是一种常用的测量材料残余应力的方法。
该方法通过分析材料中晶体的衍射图谱来确定其残余应力。
当材料发生应力时，晶格的排列会发生变化，从而引起X射线的衍射角度的变化。
通过测量和分析这种变化，可以得到材料的残余应力信息。
XRD技术具有测量范围广、准确性高、可重复性好等优点。
对于单晶材料，XRD技术能够直接测量晶体中的残余应力，精度较高。
而对于多晶材料，则需要通过倾角扫描或者称为θ-2θ扫描，来获得材料中的残余应力信息。
不过，XRD技术对于非晶态材料的测量精度较低。
二、中子衍射法中子衍射（ND）技术是一种利用中子进行测量的方法，可用于测量材料的残余应力。
中子的波长大约为0.1-1.0纳米，相较于X射线而言，中子的波长更适合用于测量晶体结构。
中子与材料作用时，受到材料中的晶格排列和残余应力的影响，从而产生衍射。
中子衍射技术具有穿透性强、对非晶态材料测量精度高等优点。
相较于XRD技术，中子衍射技术在测量多晶材料的残余应力时精度更高，适用范围更广。
不过，中子衍射技术的设备成本较高，且实验条件要求较为苛刻。
三、位错法位错法是一种基于物理模型的测量残余应力的方法。
位错是材料晶体结构中的缺陷，它们是材料中形成应力的主要机制之一。
位错法通过测量材料中位错的密度和分布来推导残余应力。
位错法具有非常高的空间分辨率和准确性，适用于各种材料的残余应力测量。
位错法可以通过电子显微镜和X射线繁切分析仪等设备进行实施。
但是，位错法需要对材料进行特殊制备和取样，且实验条件更为复杂。
四、光弹法光弹法是一种基于光学和力学原理的测量方法，通过测量光线透过或反射于材料表面时产生的应力光学效应来推断残余应力。
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。
残余应力对机械零件疲劳寿命的影响
残余应力对机械零件疲劳寿命的影响现代工业中，机械零件的疲劳寿命一直是研究者们关注的焦点之一。
而在研究过程中，一个不可忽视的因素就是残余应力。
残余应力可以影响材料的力学性能和疲劳寿命。
本文将探讨残余应力对机械零件疲劳寿命的影响，并从材料层面和设计层面进行讨论。
首先，残余应力是指在机械零件制造、加工、连接等过程中，由于温度变化、塑性变形以及不同组件之间的接触等原因引起的应力状态。
这些应力会留存在零件中，即使在正常工作条件下，也会对零件的疲劳寿命产生影响。
在材料层面上，残余应力会导致材料的本构方程变化，从而影响其力学性能和疲劳强度。
当材料受到残余应力作用时，其疲劳强度会显著降低。
残余应力使材料中晶界的位错活动受到限制，从而加强了晶界强度，使得晶界滑移的位错很难穿越晶界，增加了疲劳裂纹的扩展路径，降低了材料的疲劳寿命。
此外，在设计层面上，残余应力也是需要考虑的因素。
机械零件在制造和装配过程中，往往会受到各种应力的影响，如焊接应力、残余应力等。
在设计中合理预测和控制这些应力是提高零件寿命的关键。
合理的设计可以减小应力集中和残余应力的产生，从而减小疲劳裂纹的产生和扩展，提高机械零件的疲劳寿命。
另外，应对残余应力的方法也是关键。
一种方法是在制造过程中，通过减少加工过程中的温度变化和轴向受力，来降低残余应力的产生。
比如，在焊接过程中采用适当的焊接参数和焊接顺序，以减轻焊接残余应力的产生。
另外，可以通过加热和冷却来改变零件的残余应力状态，如热处理和冷却方式的选择。
还可以通过材料的选用和合理的设计来降低残余应力的产生。
总之，残余应力对机械零件的疲劳寿命有着显著的影响。
在材料层面上，残余应力会使材料的疲劳强度降低。
在设计层面上，合理的设计可以减小残余应力的产生，并提高机械零件的疲劳寿命。
因此，在机械零件的设计和制造过程中，必须充分考虑和控制残余应力，以提高零件的疲劳寿命。
未来，随着材料科学和工程技术的进步，应对残余应力的方法将会不断发展和完善。
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）。
残余应力对热处理的影响
残余应力对热处理的影响全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：残余应力是指在金属或合金材料中经历过加工、焊接或淬火等工艺后，所产生的未完全释放的内部应力。
这些残余应力会影响材料的性能和稳定性，造成一系列不利影响。
本文将探讨残余应力对热处理的影响，并探讨如何优化热处理工艺以减少残余应力的影响。
残余应力对热处理的影响主要表现在以下几个方面：1. 破坏性影响：残余应力会导致材料的脆性增加，从而降低其韧性和抗拉强度。
在应力集中处易发生开裂，严重影响材料的使用寿命和安全性。
2. 形变影响：残余应力会导致材料在加工或使用过程中发生形变，导致尺寸不稳定和变形，影响零件的精度和装配质量。
3. 力学性能影响：残余应力会导致材料的本构关系发生变化，破坏原有的力学性能。
应力的增加会导致材料的硬度和强度降低。
4. 退火效果影响：残余应力对热处理的效果有负面影响。
在退火时，残余应力会导致再次产生形变和应力集中，从而影响退火效果和晶粒的再结晶过程。
为了减少残余应力对热处理的影响，我们可以采取以下措施：1. 合理控制加工工艺：在加工过程中，应合理控制温度、速度和应力等参数，避免产生过大的残余应力。
2. 适当退火处理：在材料加工后进行适当的退火处理，可减少残余应力的影响，恢复材料的力学性能和结构稳定性。
3. 采用热处理工艺：在产品设计和制造过程中，合理选择热处理工艺，如淬火、回火或正火等，可以减少残余应力的产生，提高材料的性能和稳定性。
4. 精确控制温度和时间：在热处理过程中，应精确控制温度和时间，避免过热或过冷，以减小残余应力的产生。
残余应力对热处理有着不可忽视的影响，我们需要重视残余应力的形成和影响机制，并采取合适的措施减少其影响。
通过合理的工艺优化和热处理处理，我们可以有效减少残余应力的产生，提高材料的性能和稳定性，确保产品质量和安全性。
【字数达到要求，2000字】。
第二篇示例：残余应力是指在零应力下发生形变后，当去掉外加的载荷或变温后，材料内部所保留的应力。
工件引起残余应力的原因
工件引起残余应力的原因
内应力是由于材料的结构变化或者加工过程中的变形引起的。
首先，
金属材料的晶界和晶内缺陷会导致内应力的产生。
晶界由于晶体之间的不
完整结合或者晶格方向的不连续性，会导致晶界附近区域内的应力集中，
进而形成内应力。
晶内缺陷包括晶格缺陷（如空位、间隙和夹杂物）和位错。
这些缺陷会导致晶体内部的应力场非均匀分布，形成内应力。
其次，加工过程中的变形也会引起内应力的产生。
例如，锻造、压力
加工和焊接等加工过程会导致材料的塑性变形，形成内应力。
变形过程中，材料会受到压力或拉力的作用，使材料发生塑性变形，然后在变形结束后，材料会出现应力释放不完全，导致产生残余应力。
除了内应力外，外应力也是引起工件残余应力的重要原因之一、工件
在使用过程中受到外界力的作用，会产生外应力。
例如，受力工件受到拉伸、压缩、扭转或弯曲等力，会导致工件内部出现应力分布不均匀，形成
残余应力。
外界温度的变化也会引起工件的热应力，从而产生残余应力。
此外，工件的尺寸和形状也会影响残余应力的产生。
当工件的形状发
生改变时，例如由于焊接或切割等加工过程，其尺寸和形状的改变会导致
内部应力的变化，形成残余应力。
尺寸和形状的改变会使工件的体积、表
面积或者尺寸变化，从而形成内应力。
总结起来，工件残余应力的主要原因包括材料的内应力和外应力。
内
应力是由于材料结构变化或加工过程中的变形所引起的，而外应力是由外
界力的作用或者工件尺寸和形状的改变所引起的。
通过对残余应力的研究
和控制，可以提高工件的使用性能和寿命。
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。
残余应力等效应力
残余应力等效应力残余应力是指在物体受到外力作用后，去除外力后仍然存在的内部应力。
它是物体在外力作用后变形产生的内部应力，也可以称为残余应力或应力场。
残余应力对物体的性能和使用寿命有着重要的影响，因此研究和控制残余应力是材料科学与工程领域的重要课题之一。
残余应力的产生主要有两个方面的原因。
首先，物体在受到外力作用时，会发生弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指物体受力后可以恢复到原来的形状，而塑性变形是指物体受力后无法完全恢复到原来的形状。
这两种变形都会导致物体内部产生残余应力。
其次，物体在加工、焊接、热处理等过程中也会产生残余应力。
这些过程中，材料会经历温度变化、塑性变形等，从而导致内部应力的分布不均匀，进而产生残余应力。
残余应力对物体的性能和使用寿命有着重要的影响。
首先，残余应力会导致物体的机械性能发生变化。
例如，在金属材料中，残余应力会引起晶体的位错、晶粒的畸变等，从而降低材料的强度、韧性和疲劳寿命。
其次，残余应力还会导致物体的尺寸变化。
对于精密仪器、光学元件等高精度产品，残余应力会引起尺寸的不稳定，影响产品的使用效果。
此外，残余应力还会引起材料的蠕变、腐蚀、断裂等问题，进一步影响物体的性能和寿命。
为了控制和减小残余应力，科学家和工程师们采取了一系列的措施。
首先，通过合理设计和制造工艺，可以减小残余应力的产生。
例如，在焊接过程中，可以采用预热、后热处理等方法，使焊接接头的残余应力减小到最低限度。
其次，通过热处理和淬火等方法，可以改变物体的组织结构，从而减小残余应力。
此外，合理选择材料和加工工艺，也可以有效地控制残余应力的产生。
除了控制残余应力的产生，科学家和工程师们还致力于研究残余应力的分布规律和影响机制。
通过实验和数值模拟，可以得到物体内部的应力分布情况，从而为残余应力的控制提供科学依据。
此外，还可以通过应力松弛实验等方法，测量物体内部的残余应力，为残余应力的控制和评估提供数据支持。
残余应力是物体在受到外力作用后，去除外力后仍然存在的内部应力。
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0.8
2
0.6
Conventional process Improved process
0.4
0.2
0.0 0 200 400 600
Time (min)
预期中常规工艺的“折腾”体现为位错快速增殖，两次， 在改进冷却中得以消除
－生长前沿附近
－生长后方及生长完成之后
原生：就在生长前沿！
OUTLINE
证据之一 Evidence： － highly localized distribution － presence of large amounts of dislocation array
50μm 15 mm
15 mm
- 三点基本共识
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化会有什么后果 ？ - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
一条由底到顶 的多晶硅锭块
化学抛光并刻蚀
六个硅锭中心硅砖的位错密度随高度变化
M
1.00E+06
9.00E+05
8.00E+05
7.00E+05
6.00E+05
5.00E+05
Maximum von Mises stress (MPa)
Conventional cooling process Modified cooling process
Time (min)
计算结果：残余应力
Conventional process
Simplified process
计算结果 冷却全程位错增殖率
4.00E+05
3.00E+05
2.00E+05
1.00E+05
0.00E+00
1 top
mid 2
3 bottom
原因：
1 位错的拓扑性质，单颗晶体之内，位错一旦形 成，一定随生长延续，不会消失
2 生长过程中，已形成的位错会因热应力作用而 增殖 3 生长过程中，会有新位错形核生长
生长中的增殖
B. Ryningen et al
100
Critical shear stress (MPa)
Brittle / Plastic transit： ～750 C
80
60
40
20
0 700
800
900
1000
1100
o
1200
1300
1400
Temperature (C )
－from others’ study
共识 3: 固态增殖是硅锭位错主要来源
- 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 -
-
- 简化冷却会有什么后果 ？
报 告 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补 提 多晶硅锭位错主要在什么时候形成 ？结晶时？冷却时？ 纲
- 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
On completion of solidification, the temperatures of the top and the bottom differ greatly. Development of thermal stress is inevitable in cooling, as the change of temperature can not keep synchronized. ~1410 C
计算结果 冷却全程累积平均位错密度
7 6
Dislocation density (10 k)
3
5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500
常规冷却工艺 改进优化冷却工艺
Time (min)
Journal of Crystal Growth, 346（2012）5 Thermal Stress， in press
Acta Materialia 59(2011),7703
分子动力学模拟：[001]生长中一般不会有位错形成，
受应力时会
Z [001]
Y [010] X [100]
能量色标显示
压应变下晶体沿[100]方向生长1800ps时的原子结构 应力作用下会有位错的产生
分子动力学模拟：[112]生长中会有自发形成孪晶
热 － 热传导 ＋ 表面散热
力 － 弹性力场 ＋ 塑性释放
位错增殖 － Hassen模型 及其嵌入耦合 －自行开发
平均等效应力水平
残余水平
计算结果：整锭范围全过程中最大等效应力水平
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
T
~1050 C
在硅锭热过程中 如果我们在750C以上抑制位错形成，则应力释 放亦被抑制，高的残余弹性应力不可避免，导 致裂锭或硅片变形 如果我们想得到尽可能小的残余应力，那就不得 不接受高位错密度
所以，铸锭热过程的优化实际成为位错增殖与应 力残余之间的平衡！
-Dislocations poor PV performance -Excessive residual stress breakage of
实施应用情况
Tc1、Tc2并非直接独立可控，需摸索配套工艺方案。 方案是否到位或过头，将影响实施效果……
－一家企业试行出现锭裂 －三家试行成功，缩短工时150～200分钟，显著节电， 节气。
高效多晶硅锭位错分布 特性
top
mid
bottom
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
10th CSPV
多晶硅锭中的位错与残余应力
－ 计算模拟、实验与检测
周耐根，吴小元，周浪
南昌大学 光伏研究院
万跃鹏 胡动力 张涛
国家光伏工程技术研究中心 / 赛维LDK 2014. 11. 06 南通
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
～750 C
Δρ
ε(elastic residual)
Temperature
An illustration of the effect of temperature on Δρ, and the residual strain (stress)
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
ingot, distorted wafers, or higher breakage rate of wafers
总结
热应变
ε0 = ε(release) + ε(elastic residual)
= c Δρ + ε(elastic residual)
where Δρ is the density of the multiplied dislocation, and c a coeffcient 通过工艺和热场优化减小 ε0 是关键
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化会有什么后果 ？ - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
共识1：位错运动增殖总是伴随屈服变形和 应力释放
反过来说位错运动增殖是晶体屈服变形、释 放应力的微观机制.
共识2：启动位错增殖所需最小应力（屈服应力） 随温度提高急剧下降
120
报 告 提 纲
残余应力有什么影响 ？ 锭裂 硅片翘曲 碎片率提高？ 延期碎片？！
残余应力水平下降
现行一般多晶硅铸锭工艺过程都包含均匀化和退火过程
Tc1
凝 固 开 始
Tc2 凝 固 结 束
隔热笼高度
模拟显示，Tc1基本与 硅锭顶部中心温度同步
优化冷却方案 － 简化
1800
Tc1
1600
Conventional process Simplified process
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化的好处和风险 - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
谢谢关注 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
lzhou@
横向晶界并不可怕，纵向切硅片做电池并没 有更差。
位错是问题，晶界不是问题
铸造多晶硅片位错密度和有效少子寿命分布图
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化的好处和风险 - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
Temperature (K)
1400
Tc2
1200
1000
800
600 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Time (min)
简化冷却过程的优点与风险： － 缩短工时，降低能耗，降低气耗
－ 减少模壁扩散污染
风险：位错密度与残余应力水平 ？ 计算分析
热－力－位错增殖 动态耦合模型
和位错
无外加应力时也会
(1-10)面原子结构示意图
分子动力学模拟：[112]生长中一个位错环的随机形成
0.5ps [1-10]
36.9ps
[112]
113.6ps
1964ps
位错的形核过程
如此，持续生长中位错必定只增不减，持续增加…
--- 必须打断这个过程，宁愿长出新的晶粒， 增加晶界 ！
—— 现行高效多晶硅是个成功的实践