残余应力
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Lesson Ten
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
2020/6/16
1
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
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。
2020/6/16
19
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 ……
2020/6/16
20
Lesson Ten
2020/6/16
10
残余应力引起的后果
Lesson Ten
引起物体尺寸和形状的变化
当在变形物体内存在残余应力时，则物体将 会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残 余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏， 此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸 和形状改变。
2020/6/16
11
对于对称形的变形物 体来讲，仅发生尺寸 的变化，形状可保持 不变。例如，当用表 面层具有拉伸残余应 力和心部具有压缩残 余应力的棒材坯料在 车床上车成圆柱形工 件时，切削后由于具 有拉伸残余应力的表 面层被车削掉，成品 工件的长度将有所增 加。
13
Lesson Ten
＋ － ＋
板材裁剪后的变形
2020/6/16
14
Lesson Ten
使零件的使用寿命缩短
因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有 残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部 分的工作应力为外力所引起的应力与此残余 应力之和，有的部分为其差，这样就会造成 应力在物体内的分布不均。此时工作应力达 到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变 形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生 断裂，从而缩短了零件的使用寿命。
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。
2020/6/16
40
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
纵向应力
p
E' (F0
F) d 1 dF s
1
切向应力
t
E' (F0
F ) d2 dF
F0 F 2F
2
径向应力
t
E'
F0 2F
F
2
2020/6/16
式中 E' E
1 r2
33
化学法
Lesson Ten
化学法是定性研究残余应力的一种方法。此 方法是将试样浸入到适当的溶液中，测量出 自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经 过的时间来判断残余应力的大小。
2020/6/16
Lesson Ten
30
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
2020/6/16
31
Lesson Ten
变形与钻孔横断面积关系
2020/6/16
32
Lesson Ten
2020/6/16
28
机械法
Lesson Ten
用此方法可测定棒材、管材等一类物体内的 残余应力，其精确度可达每平方厘米内几千 克。
2020/6/16
29
其具体测量方法是：截 取一段长度为其直径三 倍的棒材（或管材）， 在其中心钻一通孔，然 后用膛杆或钻头从内部 逐次去除一薄层金属， 每次去除约5%的断面 积，去除后测量试样长 度的延伸率 和直径 的延伸率 。
21
Lesson Ten
第二种残余应力在温度低于再结晶温度时的加热过 程中几乎完全消除。
第三种残余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复 时才能消除。
2020/6/16
22
Lesson Ten
进行机械处理
机械处理方法是利用使物体表面产生很小的塑性变 形的方法来减小残余应力。这种处理方法主要有： （1）使零件彼此碰撞； （2）用木棒打击表面； （3）表面辊压和压平； （4）表面拉制； （5）在模子中作表面校形或精压。
2020/6/16
25
Lesson Ten
实验证明，拉制黄铜棒经辗压后，其内部的 残余应力发生如图所示的变化。可见，表面 变形可使原来的残余应力几乎减小一倍，甚 至可使表面拉应力变成压应力。
表面变形程度越大、残余应力减少得越多。 但此变形程度不应超过某一限度，一般是在 1.5~3％以下。若超过此限度，会造成有害的 后果，因为这样不但不会减小残余应力，反 而会使残余应力增加。
残余应力是由附加应力变化而来，所以残余 应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应， 残余应力也分为第一种、第二种和第三种残 余应力。
2020/6/16
5
变形条件对残余应力的影响
Lesson Ten
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。
2020/6/16
41
Lesson Ten
用德拜法可以定量地测出所存在的残余 应力。第一种残余应力可根据德拜图上 衍射线条位置的变化来确定。第二种和 第三种残余应力可根据衍射线条的宽度 变化和强度的变化来确定。
2020/6/16
42
Lesson Ten
机械法可以比较精确地确定残余应力的大小 和分布，但在测定时要损害物体的整体性。
2020/6/16
6
变形温度
Lesson Ten
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。
2020/6/16
3
Lesson Ten
虽然残余应力是变形完毕后保留在物体内的 附加应力，但并不是所有的约束位能都用于 形成残余应力，而是有部分位能在塑性变形 中由于软化而被释放。因此，残余应力的位 能应小于在整个塑性变形过程中用于形成附 加应力的位能。
2020/6/16
4
Lesson Ten
2020/6/16
23
Lesson Ten
这种方法仅使工件产生表面变形，所以在变 形中，于工件表面层中产生附加压应力，在 工件中层产生附加拉应力。可见，此方法只 能减小第一种残余应力，且只当工件表面层 中具有残余拉应力时才能适用。
2020/6/16
24
Lesson Ten
表面层中具有残余拉应力的板材经表面辗压后，其 残余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大， 残余应力减小得越多。
17
减小残余应力影响的措施
Lesson Ten
残余应力是由附加应力的变化而来，其根本 原因就是物体产生了不均匀变形，使在物体 内出现了相互平衡的内力。因此，残余应力 不仅产生在塑性加工过程中，而且也产生在 不均匀加热、冷却、淬火和相变等过程中。
2020/6/16
18
减小或消除残余应力的方法
Lesson Ten
化学法基本是定性的测定，定量性差，也需 要专门的试样。
X射线法是一种“非破坏性”的测定方法， 它能够定量的测出物体内的残余应力。但此 方法仅适用于能够给出较清晰敏锐的衍射线 条的某些材料，并由于X射线的透射能力较 小，只能探明物体接近表面部分的情况。
变形程度对第二种和第三种残余应力的影响则是另一种 情况。这些残余应力的数值将随变形程度的增加而增大， 而且对于双相系和多相系，比对单相系提高得更强烈。
2020/6/16
9
Lesson Ten
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
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。
2020/6/16
7
变形速度
Lesson Ten
变形速度对残余应力也有如同对附加应力那 样的影响。通常，在室温下以非常高的变形 速度使物体变形时，其附加应力和残余应力 有减小的趋势。而在高于室温的温度下，增 大变形速度时，这些应力反而有可能增加。
2020/6/16
26
Lesson Ten
黄铜捧在辗平前后的残余应力分布图
a－纵向应力；b－切向应力；c－径向应力 (实线为拉制铜捧的残余攻力；虚线表示铜棒在碾平后的残余应力)
2020/6/16
27
残余应力的测定方法
Lesson Ten
研究金属物体内残余应力的主要方法： 机械法 化学法 X光法
2020/6/16
Lesson Ten
12
Lesson Ten
若加工件是不对称的，则物体除尺寸变化外， 还可能发生形状的改变。
引起残余应力的消失或减小的原因，除机械 加工外还有时间的延长等因素。有时，具有 残余应力的物体在热处理过程中，或受到冲 击后也会发生尺寸和形状的变化。
2020/6/16
2020/6/16
37
Lesson Ten
用称重法测定残余应力的 试验曲线
2020/6/16
38
Lesson Ten
化学方法对于测定金属丝，薄条等类型的工 件内的残余应力是十分合适的。同时定性地 来比较在不同的压力加工制度和热处理制度 中所出现的残余应力的大小也是很有用的。
2020/6/16
39
Lesson Ten
2020/6/16
2
残余应力的概念
Lesson Ten
残余应力为塑性变形完毕后保留在变形物体 内的附加应力。
塑性变形的总位能是由释出位能和约束位能 两部分所组成。释出位能用来确定平衡外力 作用的内力的数值。而约束位能则是用来确 定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。 因附加应力是由不均匀变形引起的相互平衡 的内力所造成，所以约束位能也同样可确定 在每一变形瞬间附加应力的数值。
2020/6/16
15
Lesson Ten
降低了金属的塑性加工性能 当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，
由于残余应力的存在可加强物体内的应力和 变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高， 塑性降低。
2020/6/16
16
Lesson Ten
降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 等。
2020/6/16
对加工件进行热处理
物体内存在的残余应力可用退火、回火等方式来减 小或消除。
第一种残余应力可在回火中大大减小。在许多情况 下，残余应力只存在再结晶时才能完全消除。因之， 为完全消除残余应力，需要较高的温度，有时也需 要较长的退火时间。这样就有可能引起晶粒大小产 生很大的变化和力学性能的改变。
2020/6/16
2020/6/16
8
变形程度
Lesson Ten
随着变形程度的增加，第一种附加应力，亦即残余应力 开始急剧增加。当塑性变形达到20～25％时，应力达到 最大值。当变形继续增加时，此应力将开始减小，并当 变形程度超过52～65％时，应力几乎接近于零。变形程 度的这种影响是指在低于0.3对应温度条件下进行的变形 而言。当温度升高时，在较大的变形程度下才能使第一 种残余应力达到最大值，并在高于60～70％的变形条件 下，此应力也未降低到零。
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。
Leabharlann Baidu
2020/6/16
34
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。
2020/6/16
35
Lesson Ten
用化学侵蚀法及机械方法实验冷轧 黄铜残余应力的比较曲线
2020/6/16
36
Lesson Ten
另一种化学方法是，将试样吊浸在适当的溶 液里，隔一定时间来称其重量。这样就可以 得到一个重量减小量与经过时间的关系曲线。 与标准曲线相比较，以判定残余应力的大小。 所得到的曲线的位置比标准曲线越高，则表 示物体内的残余应力越大
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
2020/6/16
1
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
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。
2020/6/16
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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
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残余应力引起的后果
Lesson Ten
引起物体尺寸和形状的变化
当在变形物体内存在残余应力时，则物体将 会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残 余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏， 此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸 和形状改变。
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对于对称形的变形物 体来讲，仅发生尺寸 的变化，形状可保持 不变。例如，当用表 面层具有拉伸残余应 力和心部具有压缩残 余应力的棒材坯料在 车床上车成圆柱形工 件时，切削后由于具 有拉伸残余应力的表 面层被车削掉，成品 工件的长度将有所增 加。
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Lesson Ten
＋ － ＋
板材裁剪后的变形
2020/6/16
14
Lesson Ten
使零件的使用寿命缩短
因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有 残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部 分的工作应力为外力所引起的应力与此残余 应力之和，有的部分为其差，这样就会造成 应力在物体内的分布不均。此时工作应力达 到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变 形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生 断裂，从而缩短了零件的使用寿命。
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
纵向应力
p
E' (F0
F) d 1 dF s
1
切向应力
t
E' (F0
F ) d2 dF
F0 F 2F
2
径向应力
t
E'
F0 2F
F
2
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式中 E' E
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化学法
Lesson Ten
化学法是定性研究残余应力的一种方法。此 方法是将试样浸入到适当的溶液中，测量出 自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经 过的时间来判断残余应力的大小。
2020/6/16
Lesson Ten
30
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
2020/6/16
31
Lesson Ten
变形与钻孔横断面积关系
2020/6/16
32
Lesson Ten
2020/6/16
28
机械法
Lesson Ten
用此方法可测定棒材、管材等一类物体内的 残余应力，其精确度可达每平方厘米内几千 克。
2020/6/16
29
其具体测量方法是：截 取一段长度为其直径三 倍的棒材（或管材）， 在其中心钻一通孔，然 后用膛杆或钻头从内部 逐次去除一薄层金属， 每次去除约5%的断面 积，去除后测量试样长 度的延伸率 和直径 的延伸率 。
21
Lesson Ten
第二种残余应力在温度低于再结晶温度时的加热过 程中几乎完全消除。
第三种残余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复 时才能消除。
2020/6/16
22
Lesson Ten
进行机械处理
机械处理方法是利用使物体表面产生很小的塑性变 形的方法来减小残余应力。这种处理方法主要有： （1）使零件彼此碰撞； （2）用木棒打击表面； （3）表面辊压和压平； （4）表面拉制； （5）在模子中作表面校形或精压。
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25
Lesson Ten
实验证明，拉制黄铜棒经辗压后，其内部的 残余应力发生如图所示的变化。可见，表面 变形可使原来的残余应力几乎减小一倍，甚 至可使表面拉应力变成压应力。
表面变形程度越大、残余应力减少得越多。 但此变形程度不应超过某一限度，一般是在 1.5~3％以下。若超过此限度，会造成有害的 后果，因为这样不但不会减小残余应力，反 而会使残余应力增加。
残余应力是由附加应力变化而来，所以残余 应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应， 残余应力也分为第一种、第二种和第三种残 余应力。
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变形条件对残余应力的影响
Lesson Ten
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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Lesson Ten
用德拜法可以定量地测出所存在的残余 应力。第一种残余应力可根据德拜图上 衍射线条位置的变化来确定。第二种和 第三种残余应力可根据衍射线条的宽度 变化和强度的变化来确定。
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Lesson Ten
机械法可以比较精确地确定残余应力的大小 和分布，但在测定时要损害物体的整体性。
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6
变形温度
Lesson Ten
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。
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Lesson Ten
虽然残余应力是变形完毕后保留在物体内的 附加应力，但并不是所有的约束位能都用于 形成残余应力，而是有部分位能在塑性变形 中由于软化而被释放。因此，残余应力的位 能应小于在整个塑性变形过程中用于形成附 加应力的位能。
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Lesson Ten
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Lesson Ten
这种方法仅使工件产生表面变形，所以在变 形中，于工件表面层中产生附加压应力，在 工件中层产生附加拉应力。可见，此方法只 能减小第一种残余应力，且只当工件表面层 中具有残余拉应力时才能适用。
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Lesson Ten
表面层中具有残余拉应力的板材经表面辗压后，其 残余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大， 残余应力减小得越多。
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减小残余应力影响的措施
Lesson Ten
残余应力是由附加应力的变化而来，其根本 原因就是物体产生了不均匀变形，使在物体 内出现了相互平衡的内力。因此，残余应力 不仅产生在塑性加工过程中，而且也产生在 不均匀加热、冷却、淬火和相变等过程中。
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减小或消除残余应力的方法
Lesson Ten
化学法基本是定性的测定，定量性差，也需 要专门的试样。
X射线法是一种“非破坏性”的测定方法， 它能够定量的测出物体内的残余应力。但此 方法仅适用于能够给出较清晰敏锐的衍射线 条的某些材料，并由于X射线的透射能力较 小，只能探明物体接近表面部分的情况。
变形程度对第二种和第三种残余应力的影响则是另一种 情况。这些残余应力的数值将随变形程度的增加而增大， 而且对于双相系和多相系，比对单相系提高得更强烈。
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Lesson Ten
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
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。
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变形速度
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变形速度对残余应力也有如同对附加应力那 样的影响。通常，在室温下以非常高的变形 速度使物体变形时，其附加应力和残余应力 有减小的趋势。而在高于室温的温度下，增 大变形速度时，这些应力反而有可能增加。
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黄铜捧在辗平前后的残余应力分布图
a－纵向应力；b－切向应力；c－径向应力 (实线为拉制铜捧的残余攻力；虚线表示铜棒在碾平后的残余应力)
2020/6/16
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残余应力的测定方法
Lesson Ten
研究金属物体内残余应力的主要方法： 机械法 化学法 X光法
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若加工件是不对称的，则物体除尺寸变化外， 还可能发生形状的改变。
引起残余应力的消失或减小的原因，除机械 加工外还有时间的延长等因素。有时，具有 残余应力的物体在热处理过程中，或受到冲 击后也会发生尺寸和形状的变化。
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用称重法测定残余应力的 试验曲线
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Lesson Ten
化学方法对于测定金属丝，薄条等类型的工 件内的残余应力是十分合适的。同时定性地 来比较在不同的压力加工制度和热处理制度 中所出现的残余应力的大小也是很有用的。
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残余应力的概念
Lesson Ten
残余应力为塑性变形完毕后保留在变形物体 内的附加应力。
塑性变形的总位能是由释出位能和约束位能 两部分所组成。释出位能用来确定平衡外力 作用的内力的数值。而约束位能则是用来确 定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。 因附加应力是由不均匀变形引起的相互平衡 的内力所造成，所以约束位能也同样可确定 在每一变形瞬间附加应力的数值。
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降低了金属的塑性加工性能 当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，
由于残余应力的存在可加强物体内的应力和 变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高， 塑性降低。
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降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 等。
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对加工件进行热处理
物体内存在的残余应力可用退火、回火等方式来减 小或消除。
第一种残余应力可在回火中大大减小。在许多情况 下，残余应力只存在再结晶时才能完全消除。因之， 为完全消除残余应力，需要较高的温度，有时也需 要较长的退火时间。这样就有可能引起晶粒大小产 生很大的变化和力学性能的改变。
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变形程度
Lesson Ten
随着变形程度的增加，第一种附加应力，亦即残余应力 开始急剧增加。当塑性变形达到20～25％时，应力达到 最大值。当变形继续增加时，此应力将开始减小，并当 变形程度超过52～65％时，应力几乎接近于零。变形程 度的这种影响是指在低于0.3对应温度条件下进行的变形 而言。当温度升高时，在较大的变形程度下才能使第一 种残余应力达到最大值，并在高于60～70％的变形条件 下，此应力也未降低到零。
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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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。
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用化学侵蚀法及机械方法实验冷轧 黄铜残余应力的比较曲线
2020/6/16
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另一种化学方法是，将试样吊浸在适当的溶 液里，隔一定时间来称其重量。这样就可以 得到一个重量减小量与经过时间的关系曲线。 与标准曲线相比较，以判定残余应力的大小。 所得到的曲线的位置比标准曲线越高，则表 示物体内的残余应力越大