残余应力的概念

 

1. 残余应力的概念
2. 残余应力的分类
3. 残余应力的产生原因
4. 残余应力的影响
5. 残余应力的检测
6. 机械测量法
7. 无损检测法
8. 残余应力的消除方式
9. 应用案例

 

一、残余应力的概念

残余应力是指消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。

 

• 产生的应力的各种外部因素（外力、温度变化、加工处理过程等）去除后，在物体内部依然存在的应力，称之为残余应力。

 

 

 

残余应力示意图

 

• 宏观上分：拉伸应力、压缩应力
• 微观上分：微观结构应力、晶内亚结构应力

 

 

 

 

二、残余应力的分类

 

• 按影响的区域分：

第一类内应力：又称宏观残余应力，贯穿于整个物体内部。

第二类内应力：又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。

第三类内应力：由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。

 

 

• 按应力产生的原因分：

 

热应力        相变应力        收缩应力

 

三、残余应力的产生原因

   

• 机械加工和强化工艺都能引起残余应力。

 

 

• 产生原因

 

 

 

 

四、残余应力的影响

• 构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用：

1. 对屈服极限的影响

如果材料具有拉伸残余应力，相当于提高了应力-应变曲线的坐标原点，即相当于降低了材料的拉伸屈服极限。如果材料具有压缩残余应力的情况，使拉伸屈服极限提高，而压缩屈服极限降低。

2. 对疲劳寿命的影响

当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度会有所提高，而存在拉伸残余应力时，其疲劳强度会有所下降，因此在实际应用中往往通过表面硬化处理产生压缩残余应力，从而有效地提高疲劳强度。

3. 对构件变形的影响

残余应力对构件变形的影响包括两个方面：一是构件抗静、动载荷的变形能力：另一方面是荷载卸除后变形的恢复能力。

4. 对脆性破坏的影响

脆性破坏是构件在几乎不存在塑性变形的情况下突然开裂。它在温度突然下降或变形速度突然增大的情况下，最容易发生。

残余应力是作为初始应力存在于构件内，特别是拉伸残余应力与作用拉应力叠加而加速了脆性破坏。

5. 对应力腐蚀开裂的影响

试验证明，拉应力和腐蚀共存是应力腐蚀的必要条件。拉应力使腐蚀破坏加速，这是应力对腐蚀的作用。而残余应力的存在则必有拉伸应力，因此对于承受腐蚀的金属构件来说，残余应力也起到了应力腐蚀的作用。

对于压缩残余应力则恰恰相反，可以防止和减低应力腐蚀开裂现象。防止应力腐蚀开裂的现场措施有表面压延、喷丸和氮化处理等，其原理都是使构件表面产生压缩残余应力。

 

五、残余应力的检测

• 残余应力的检测方法总的来说分为两类：

1. 机械测量法

原理：将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，由测量其应变的变化来求出残余应力。

优缺点：该方法会对工件造成一定的损伤或破坏，但其测量精度较高，技术较为成熟。

 

 

 

常见的机械测量法包括钻孔法、环芯法、深孔法、剥层法、切条法等。

 

2. 无损测量法

原理：无损测量法就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被测量对象使用性能的前提下，来测量残余应力的方法。

 

 

 

常见的机械测量法包括磁测法、X射线衍射法、超声波法等、压痕应变法等。

 

六、机械测量法

• 钻孔法

 

 

 

基本原理：在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使得孔的邻近区域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，采用黏贴应变片等方式测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔处深度方向上的平均残余应力。

 

优缺点

优点：精度高、操作方便、设备便宜。

缺点：需要在被测件表面钻孔，使构件产生破坏；钻孔过程中常会引起材料的损伤和屈服，影响测量效果。

 

• 深孔法

基本原理：首先在零件上钻一个小孔，精确测量出小孔的直径，然后在零件上钻一个与小孔同心的环，其周围因为应力释放而使小孔的直径发生变化，经计算得到钻孔处原有的应力。

 

• 剥层法

常用语测定几何形状简单（平板、圆柱）的试件。

 

 

基本原理：当通过电化学方法从含有残余应力的平板或圆柱上去除一层材料时，其内部残余应力将不再平衡，当它重新平衡时将导致平板变形，平板弯曲的曲率取决于被去除掉的那层材料原来的残余应力分布和遗留部分材料的弹性性能。

 

七、无损测量法

• 磁测法

 

 

基本原理：磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。

 

 

• 超声波法

基本原理：基于声弹性效应：超声波在固体中传播速度取决于固体中的机械应力。在材料性能已知的情况下，可以通过对纵向和剪切极化（在正交方向）传播的超声波速度的精确测定来完成机械应力的测量。

由于超声波的方向性好、穿透能力强、可以沿试样表面传播，因此可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力，环形件残余应力测定也十分适用，故而，在焊缝、齿轮、螺栓、钢轨等方面有着重要的实际应用。

 

 

 

 

 

 

用于材料平均厚度方向残余应力/应用应力测量的超声波计算机控制的综合测量设备

 

 

 

 

 

 

用于材料表面和近表面残余应力/应用应力测量的超声计算机控制的综合测量设备

 

 

 

 

• 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余应力的方法。

基本原理

 

 

采用电阻应变花作为测量用的敏感元件，在应变栅轴线中心点制造一定尺寸的压痕，通过应变仪记录应变增量，利用事先对所测材料标定得到的弹性应变与应变增量关系得到残余应变大小，再利用胡克定律求出残余应力。

 

优缺点

优点：无损、操作简单、适用范围广、精度高等；

缺点：只能用于平面应力的测定，对测量数据的处理比较复杂。

 

• X射线衍射法

X射线法是由俄国学者于1929年提出，经过多年发展，理论与实际测定方法都较为成熟，是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法。

基本原理

基于弹性力学及x射线晶体学的测试方法。其基本原理是当金属存在残余应力时，不同晶粒的晶面间距随应力的大小发生规律变化，通过这种变化测量出相应的应变。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

八、残余应力消除方式

• 消除内应力的几种方法：

1、对物体进行热处理；

2、放到自然条件下进行消除；

3、人工通过敲打振动等方式进行消除。

 

 

 

 

 

 

 

九、应用案例