一文看懂殘余應(yīng)力

一、什么是殘余應(yīng)力

首先來一段官方的定義：殘余應(yīng)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(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)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(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響就是殘余應(yīng)力。

有點(diǎn)暈？那換個(gè)通俗的方式跟大家講。比如說一個(gè)人之前很瘦，買了一條L號(hào)的牛仔褲，然而過了個(gè)年吃成了大胖子，這時(shí)候再穿這條牛仔褲，由于人長胖了而褲子沒變，因此他就會(huì)覺得褲子太緊了，這時(shí)候身體與褲子之間就有了很強(qiáng)的作用力，如果用力過猛很容易把褲子撕破，這種破壞力就是殘余應(yīng)力的作用效果。從能量作功的角度來理解，外力使物體發(fā)生塑性變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致物體內(nèi)部發(fā)生變形，因而積累一部分能量；當(dāng)外力消除后，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的能量要進(jìn)行釋放，如果物體的脆性低，則物體會(huì)緩慢變形，脆性高則形成裂紋。

圖1 殘余應(yīng)力作用效果

殘余應(yīng)力在機(jī)械制造中非常常見，往往各個(gè)工藝都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不過，從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)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。

二、殘余應(yīng)力的危害

從殘余應(yīng)力的分類可以看出，殘余應(yīng)力會(huì)引起物體緩慢變形，導(dǎo)致物體尺寸的改變，導(dǎo)致機(jī)械加工工件尺寸不合格，儀器生產(chǎn)中導(dǎo)致整臺(tái)儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造工件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，同時(shí)對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)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(dǎo)致冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致鑄件斷裂：

圖2 鑄件冷卻時(shí)斷裂

熱處理的淬火過程中，過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)容易導(dǎo)致材料斷裂：

圖3 淬火過程金屬斷裂

三、殘余應(yīng)力的測量

對(duì)于殘余應(yīng)力的測量，從大類上可以分為機(jī)械法、化學(xué)法和X射線法三種。

機(jī)械法

機(jī)械法中最為常見的是鉆孔法（也稱盲孔法），操作時(shí)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(nèi)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(shù)值與鉆孔剖面積的關(guān)系曲線，用作圖法求出曲線上任意一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)，表征延伸率與鉆孔剖面的變化率，然后代入相應(yīng)的應(yīng)力公式即可得到殘余應(yīng)力值。

化學(xué)法

化學(xué)法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當(dāng)?shù)娜芤褐?，測量出自開始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經(jīng)過時(shí)間，按此經(jīng)過的時(shí)間來判斷殘余應(yīng)力的大小，所用的溶液，對(duì)于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對(duì)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(dāng)?shù)娜芤豪?，隔一定時(shí)間來稱其重量。這樣就可以得到一個(gè)重量減小量與經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，以判定殘余應(yīng)力的大小，所得到的曲線的位置比標(biāo)準(zhǔn)曲線越高，則表示物體內(nèi)的殘余應(yīng)力越大。

圖6 化學(xué)法浸泡待測金屬

圖7 化學(xué)法的稱重曲線

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(diǎn)形狀的變化來定性地確定殘余應(yīng)力。

圖8 X射線法原理示意

當(dāng)無殘余應(yīng)力存在時(shí)，各干擾斑點(diǎn)呈點(diǎn)狀分布。有殘余應(yīng)力時(shí)，各干擾斑點(diǎn)伸長，呈“星芒”狀。

(a)無殘余應(yīng)力；(b)殘余應(yīng)力存在

圖9 勞埃法測量結(jié)果

德拜法可以定量地測出所存在的殘余應(yīng)力，具體可以根據(jù)德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強(qiáng)度的變化來確定。

(a)透射法；(b)背射法

圖10 德拜法示意圖

總結(jié)一下，機(jī)械法和化學(xué)法是有損測試方法，需要對(duì)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(jī)械法能夠較為精確地確定殘余應(yīng)力的大小和分布，一般適用于棒形或管形的物體；化學(xué)法適用于金屬絲、薄片類型的物體，但化學(xué)法只能進(jìn)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。

四、殘余應(yīng)力的消除

既然殘余應(yīng)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(dòng)時(shí)效和機(jī)械處理四種方法。

熱處理法

熱處理就是利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力，一般采用退火、回火等方式進(jìn)行處理。

圖11 熱處理之退火處理

靜載荷加壓，就是使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形來調(diào)整工件的殘余應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。

圖12 經(jīng)過脹形處理的大型油罐

振動(dòng)時(shí)效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡稱VSR。振動(dòng)時(shí)效處理是工程材料常用的一種消除其內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力的方法，是通過振動(dòng)，使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力和附加的振動(dòng)應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過材料屈服強(qiáng)度的時(shí)候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕。

圖13 應(yīng)變可量化式振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)

機(jī)械處理，就是利用物體表面產(chǎn)生很小的塑性變形的方法來減小殘余應(yīng)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(yīng)力。

圖14 打鐵鍛造