什么是殘余應力？如何測量和消除殘余應力
來源：天氏庫力 發布日期
2021-04-13 瀏覽：
什么是殘余應力？
首先來一段官方的定義：殘余應力 (Residual Stress) 是工件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內，則這種殘留的作用與影響就是殘余應力。
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從能量作功的角度來理解，外力使物體發生塑性變形時會導致物體內部發生變形，因而積累一部分能量；當外力消除后，內部應力分布不均勻的能量要進行釋放，如果物體的脆性低，則物體會緩慢變形，脆性高則形成裂紋。
圖1：殘余應力作用效果
殘余應力在機械制造中非常常見，往往各個工藝都會產生殘余應力。不過，從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結成三類：
第一類：不均勻的塑性變形；第二類：不均勻的溫度變化；第三類：不均勻的相變。
殘余應力的危害
從殘余應力的分類可以看出，殘余應力會引起物體緩慢變形，導致物體尺寸的改變，導致機械加工工件尺寸不合格，儀器生產中導致整臺儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造工件出現裂紋甚至斷裂，同時對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性和使用壽命等，也有著十分重要的影響。
鑄件在冷卻的過程中，由于工藝的不合理導致冷卻不均勻而產生殘余熱應力導致鑄件斷裂。
圖2：鑄件冷卻時斷裂
熱處理的淬火過程中，過冷奧氏體進行馬氏體轉變時容易導致材料斷裂。
圖3：淬火過程金屬斷裂
殘余應力的測量
1、機械法
機械法中最為常見的是鉆孔法（也稱盲孔法），操作時從物體上截取一段長度為其直徑3倍的棒材（或管材），在其中心鉆一通孔，然后用膛桿或鉆頭從內部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除后測量試樣長度的延伸率和直徑的延伸率。
圖4：鉆孔法示意圖
圖5：鉆孔法作圖
繪制這些數值與鉆孔剖面積的關系曲線，用作圖法求出曲線上任意一點的導數，表征延伸率與鉆孔剖面的變化率，然后代入相應的應力公式即可得到殘余應力值。
2、化學法
化學法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當的溶液中，測量出自開始侵蝕到發現裂紋的經過時間，按此經過的時間來判斷殘余應力的大小，所用的溶液，對于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對于鋼可用弱堿及硝酸鹽類；另一種想法是將試樣吊浸在適當的溶液里，隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經過時間的關系曲線，與標準曲線相比較，以判定殘余應力的大小，所得到的曲線的位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘余應力越大。
圖6：化學法浸泡待測金屬
圖7：化學法的稱重曲線
3、X射線法
X射線法可利用X射線穿透金屬件，其中勞埃法是通過干擾斑點形狀的變化來定性地確定殘余應力。
圖8：X射線法原理示意
當無殘余應力存在時，各干擾斑點呈點狀分布。有殘余應力時，各干擾斑點伸長，呈“星芒”狀。
圖9：勞埃法測量結果
德拜法可以定量地測出所存在的殘余應力，具體可以根據德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強度的變化來確定。
圖10：德拜法示意圖
總結一下，機械法和化學法是有損測試方法，需要對待測物體局部取樣，而且測試后損壞不可逆；X射線法是一種無損測試方法，可保持物體的完整性。機械法能夠較為精確地確定殘余應力的大小和分布，一般適用于棒形或管形的物體；化學法適用于金屬絲、薄片類型的物體，但化學法只能進行定性判斷，很難做到定量描述；X射線法雖然是一種“非破壞性”的方法，但此方法僅適用于能夠給出較清晰敏銳的衍射線條的某些材料，并由于X射線的投射能力較小，只能探明物體接近表面部分的情況。
殘余應力的消除
既然殘余應力危害這么多，那么行之有效的消除方法就顯得十分必要了。消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動時效和機械處理四種方法。
1、熱處理法
熱處理就是利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力，一般采用退火、回火等方式進行處理。
圖11：熱處理之退火處理
2、靜載荷加壓法
靜載荷加壓，就是使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形來調整工件的殘余應力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。
圖12：經過脹形處理的大型油罐
3、振動時效法
振動時效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡稱VSR。振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘余內應力的方法，是通過振動，使工件內部殘余的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以松弛和減輕。
圖13：應變可量化式振動時效系統
4、機械處理法
機械處理，就是利用物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力，包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘余應力。
圖14：打鐵鍛造
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