关于残余应力基本知识

一残余应力的概念:

通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。

按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为两类：

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。

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。

二残余应力的作用：

机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。

适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残

余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。

三残余应力的产生：

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，产生残余应力的原因可以归结为：

1.不均匀的塑性变形；

2.不均匀的温度变化；

3.不均匀的相变。

四残余应力的调整：

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.加热，即回火处理,利用残余应力的热松弛效应消除或降低残余应力。

2.施加静载，使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，也可以调整工件的残余应力。例如大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，即所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。

3.振动时效，英文叫做Vibration Stress Relief,简称VSR 。在国际上，工业发达国家起始于上世纪50年代，我国从70年代研究和推广。振动消除应力主要特点：

（1）、处理时间短；

（2）、适用范围广；

（3）、能源消耗少；

（4）、设备投资小，操作简便。

4.锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。

(如需进一步了解有关喷丸强化技术，推荐如下专著和文献：

1.刘锁（王仁智），《金属材料的疲劳性能与喷丸强化工艺》，国防工业出版社，1977

2.王仁智，吴培远，《疲劳失效分析》，机械工业出版社，1987

3.王仁智，《喷丸强化技术在我国的发展》，材料工程，No1,1989) 五残余应力的测量方法：

残余应力的测量方法可以分为有损和无损两大类。

有损测试方法就是应力释放法，也可以称为机械的方法；无损方法就是物理的方法。

机械方法目前用得最多的是钻孔法（盲孔法），其次还有针对一定对象的环芯法。

物理方法中用得最多的是X射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁性法和超声法。

X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关

系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征为晶面间距的相对变化。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距 d 必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此有可能通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。

从这里可以看出X射线衍射法测定应力的原理是成熟的，经过半个多世纪的历程，在国内外，测量方法的研究深入而广泛，测试技术和设备已经比较完善，不但可以在实验室进行研究，可且可以应用到各种实际工件，包括大型工件的现场测量。