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。
对于薄工件，在工件上钻一通孔，当使用A或B型应变花时，工件厚 度不得大于0.4D，使用C型应变花时，工件厚度不得大于0.48D。 对于厚工件，在工件上钻一盲孔，当使用A或B型应变花时，工件厚 度不得小于1.2D，使用C型应变花时，工件厚度不得小于1.44D。 安装应变计的表面应当打磨抛光，应使用化学腐蚀方法而尽量避免 使用机械磨削，且不得采用会改变测量表面应力状况的刮磨或研磨， 并且要进行彻底的清洗和脱脂。
第二类残余应力：在变形体局部的各部分之间（如两个或几个 晶粒之间）由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力；
第三类残余应力：在变形物体的一个晶粒内的各部分之间由于 不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力。
第一类残余应力称为宏观残余应力，第二三类残余应力称 为微残余应力。
产生微观残余应力的原因
一 由于晶粒的各向异性而产生的微观残余应力 主要是由于晶体的热膨胀系数、弹性系数和各晶粒间的取向不
界面残余应力知识学习 汇总
残余应力的定义及分类
残余应力是指当物体不受外部因素的影响时，使物体内部 保持平衡而存在的应力。它是一种固有应力，随材料的性能， 产生条件（变形温度、变形速度、变形程度等）的不同而存在 差异，主要分为以下三类: 第一类残余应力：在变形体的几个大部分间由于不均匀变形所 引起的相互平衡的附加应力；
E
2(1 )a
E
2b E
2(1 )a
E 2b
E 2b
0 E
b 0
2(1 2(1
E
)a
E
2b E
)a
E 2b
E 2b
1 2 3
········(3)
钻孔法介绍
根据式3可进一步求出两个主应力以及一个主方向角大小为；
max
E(3 1) 2a(1 )
E 2b
(3 1)2 (3 1 2 2 )2
或消除。第一类残余应力可在回火过程中大大减少，第二类残余应 力在温度低于再结晶温度时的加热过程中几乎完全消除。第三类残 余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复才能消除。
残余应力的消除
三 振动时效 振动时效消除残余应力原理上与疲劳情况一样‚当构件产生强
烈的机械振动时‚振动应力与材料内部的残余应力相叠加大于材料 的屈服极限时‚材料将发生屈服变形‚产生应力松弛‚从而降低或消除 残余应力。
钻孔法介绍
1.先在远离工件边沿选取一平整表面作为待测部位； 2.在工件待测部位粘贴一个应变计的应变花； 3.在应变花的几何中心按一组钻孔深度增量钻一小孔，钻孔直 径4.记大录小应2.5变 D片D0 数3.4据，，钻测孔量的释深放度应为变1.。0-1使.2用D0线；弹性理论，对钻孔 范围内的初始残余应力通过释放应变进行计算，均布残余应力 与钻孔后得到的释放应变可通过以下公式进行计算：
同而产生的微观残余应力。
二 由于夹杂物、沉淀相或相变而出现的第二相所产生的微观残余 应力
当在材料中由于夹杂物，析出物以及相变产生新相时，会发生 不均匀的体积变化和热应力的作用，从而产生的微观残余应力。
三 由于晶粒内外的塑性变形产生的微观残余应力 主要是由于晶粒内的滑移会造成位错在晶界的堆积，当位错穿
1
E
ax
y
2
1 E
bx
y
2
cos 2
1 E
b xy sin 2
5.校正。
钻孔法介绍
右图是小孔法测量残余应力的 原理图，应变花采用顺时针方向的 三向应变花‚图中D是应变花的测量 圆直径‚D0是钻孔的直径‚其中1号应 变栅和3号应变栅分别与x轴和y轴 重合‚2号应变栅与轴的夹角为45°。
钻孔法介绍
四 机械处理方法 机械处理方法是利用使材料内产生塑性变形的方法来减小残
余应力，并且不改变材料的力学性能。主要的机械处理方法有表 面辊压、表面喷丸、辊式矫直、拉伸矫直等方法。
残余应力的测量方法
残余应力的测量方法主要可分为有损检测和无损检测两大类； 一 残余应力有损检测方法：钻孔法、逐层铣削法、分割切条释 放法等； 二 残余应力无损检测方法：X 射线衍射法、超声波法、磁 性法、电子散斑干涉法、中子衍射法等。
1 E
a
x
2
y
1 E
b
x
2
y
cos 2
1 E
b xy
sin
2
······(1)
其中E为弹性模量，ν为泊松比，a为等轴向应力的校准系数，b为剪 切应力的校准系数，θ为应变栅和y轴沿逆时针方向的夹角， x 和 y 是沿坐标轴的轴向应力， xy为切应力
由应变计所测释放应变为 1,2,3 的θ值为0°，135°，270°，将θ 值代入上式可得出以下矩阵方程；
谢谢
在标定常数已知的情况下可以通过应变增量 求得残余应
力。
B
A1 e
A2
2 e
A3
3 e
上式中B为无残余应力条件下的应变增量 ；A1，A2，A3为压痕 应变法应力标定参数。
残余应力的测量方法：X射线法
利用晶体点阵对X射线的衍射规律，由布拉格方程2dsinθ=nλ就可 以计算出晶面间距d0，由此就可以计算出晶面间的绝对变化为d-d0。 其相对变化即应变为；
过晶界在多晶粒间滑移时，发生各种不均匀的形变如扭折带、形变 带、剪切带等各种内部缺陷，这些就成为外力卸载后产生微观残余 应力的主要原因。
残余应力产生的原因
一 不均匀的塑性变形产生的残余应力 这是由于工件在加工过程中发生局部不均匀变形，当卸载后就
会在工件内部产生残余应力。它是工件在加工过程中最常出现的 残余应力。 二 热影响产生的残余应力
(1 )a b
1 2E
(1 )a
(1 )a
b
0 2b
0
(1 )a (1 )a
b
x y
1 2
(1 )a b z 3
········(2)
钻孔法介绍
因此，通过实验中应变花所测得的三个释放应变，就可以 求解出 x 和 y以及 xy 的大小为；
xxy y
残余应力的测量方法：钻孔法
钻孔法：通过在构件待测应力的位置粘贴应变花‚然后在应变 花的中心钻一个小孔将应力释放‚通过应变花测量出释放的应变计 算出钻孔处的残余应力。钻孔法测量的是工件近表面的残余应力， 及钻孔边界范围内的局部残余应力大小。钻孔法会对工件产生局 部的破坏。
小孔法测量精度高、可靠性强、操作方便、破坏性较小，因 此小孔法广泛应用于众多工程材料的残余应力的测量研究。
标定试样
标定试样所用材料应与待测材料相同，经消除应力退火后， 再进行精加工。标定试样尺寸形状应符合下图表所示；
T 5D0
B 60D0
W
L1
L2
R
40D0 150D0 200D0 10D0
d 12D0
a
b
1.0D0 0.75D0
残余应力的测量方法：压痕应变法
压痕应变法是一种利用球形压痕诱导产生的应变增量测定残
应变计全称为电阻应变计或电阻应变片，是一种用途广泛的高精度 力学量传感元件。
应变计的主要组成部分是敏感栅、基 底、覆盖层以引出线组成，敏感栅用粘 合剂粘在基底和覆盖层之间，敏感栅可 以看成一根电阻丝，其材料性能和几何 形状的改变都会引起栅丝电阻值的变化。
根据残余应力释放过程中电阻丝的 长度变化所导致的栅丝电阻值的变化， 就可以求出材料的应变，从而求出残余 应力的大小。
钻孔设备和使用
在待测工件上钻孔时，必须使用工装 进行控制。此工装所控制的钻孔中心 与应变花测量圆的中心不重合度误差 应小于±0.004D，钻孔深度误差应小 于±0.004D。右图为一种类型的钻孔 控制工装。
钻孔设备和使用
已有多种钻孔技术被研究并证明能够有效应用于本测试方法。 除了碳化钨等超硬合金外，常用的钻孔技术为50000~400000r/min 的高速气动涡轮或电动钻孔技术。低速钻孔技术如钻床或手持电 钻会在孔的边沿产生附加应力，因此并不推荐使用。
如果实验产生了明显的附加变形，或者试样材料很难加工， 可在钻削过程中添加合适的液体润滑剂。液体润滑剂应是绝缘体， 因为导电材料会渗入应变计导电线路，对应变计的读数产生影响。
钻孔过程中可采用高级轴向阶跃送进技术，或选择轨道送进 技术。轨道运行技术故意将刀具旋转轴偏移孔轴，先送进刀具轴 向，之后绕轴向旋转，钻孔直径比刀具直径更大。轴向阶跃送进 技术有明显的优势，而轨道运行技术的优点在于钻孔直径可通过 调节装置，圆柱形切削刃口直到末端，有利于切屑的流出。
当材料内存在残余应力时，物体会产生相应的弹性变形或晶 格畸变。当这种残余应力消失或者其平衡被破坏时，则会引起物 体形状和尺寸的变化。
在承受交变应力作用的部件中存在残余压应力时，部件的疲 劳强度会提高；而存在残余拉应力时，部件的疲劳强度会降低。
当试样表面存在残余压应力时，会对应力腐蚀起到抑制作用， 而压应力作用则会产生脆性断裂现象。
以下关系；
(vT1 vT 2 ) vT 0
ST
(1
2)
(vL vL0 ) vL0
ST
(1
2)
上式中vT1，vT 2分别为 1， 2 方向上的横波速率；vT 0为无残余应力时的
横波速率，1为第一主应力 ； 2 为第二主应力 ；vL 为纵波速率；vL0为无
残余应力时的纵波速率 ；ST ，SL为超声横波和纵波的声弹性常数。
余应力的方法，具有无损,操作简单, 适用范围广，精度高等特点。
其缺点是只能用于平面应力的测定，而且对测量数据的处理比较
复杂。在平面应力场中，由球形压痕产生的材料流变会引起受力
材料的松弛变形，压应力场中的材料会延伸，拉应力场中的材料
会压缩。同时压痕自身也会受到残余应力场的影响发生变形，这
两种变形的叠加称之为叠加应变增量，简称为应变增量。
d d0 d
d0
d0
根据胡克定律，应力为；
K K d
d0
式中 为正应力，K为弹性常数。
Ｘ射线穿透能力弱，只能测量材料表面的平均残余应力，无法测量 材料内部的残余应力。
残余应力的测量方法：超声法
超声波是指频率高于20kHz的声波，可用于金属材料残余应 力检测的频率为0.5-10MHz。由于超声波的方向性好，穿透能力 强，对于金属材料的穿透深度可达数米，因此可以检测试样表面 以及大体积范围的内部残余应力。同时超声表面波可以沿试样表 面传播，因此超声法可以测定环形件的残余应力。与 X射线仪器 相比，超声波检测所需要的仪器更加便携，便于现场在线测试。 超声波速率受材料各向异性，环境温度，探头与构件之间声耦合 的影响较大，因此超声法在测定应力时需进行标定试验。