残余应力

1. 残余应力的定义

1.1 定义

• 残余应力是在没有外部因素持续作用的情况下，材料内部存在的自相平衡的内应力。

1.2 微观结构变化

• 晶格畸变、位错、相变等导致能量分布不均衡。

1.3 存在范围

• 金属、塑料、陶瓷等各种材料中。

2. 残余应力的分类

2.1 第一类内应力

• 宏观残余应力，贯穿于整个物体的内部。

2.2 第二类残余应力

• 微观残余应力，由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。

2.3 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，错位等）引起的。

3. 残余应力的产生原因

3.1 加工工艺

• 铸造、焊接、热处理等过程中材料内部组织变化。

3.2 外部载荷

• 机械加工、切削等过程中外力作用。

3.3 环境因素

• 温度梯度、化学腐蚀等。

4. 残余应力对材料性能的影响

4.1 屈服极限

• 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原点坐标，即相当于降低了材料的拉伸屈服极限。如果材料具有压缩参与应力的情况，使拉伸屈服极限提高而压缩屈服极限降低。

4.2 疲劳寿命

• 当受到交变应力的构件存在压缩参与应力时，该构件的疲劳强度会有所提高，而存在拉伸参与应力时，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的提高疲劳强度。

4.3 变形

• 参与应力对构件变形的影响包括两个方面，一是构建抗静动荷载的变形能力。另一方面是荷载卸除后变形的恢复能力。

4.4 脆性破坏

• 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参与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。

4.5 腐蚀开裂

• 拉应力与腐蚀共存是应力腐蚀的必要条件。拉硬力时腐蚀加速破坏。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，参与应力也起到了应力腐蚀的作用。

5. 残余应力的检测方法

5.1 机械检测法

• 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。

5.2 无损测量法

• 利用光声磁和电等特性，在不损害或影响被测对象使用性能的前提下来测量残余应力。

6. 如何控制与消除残余应力

6.1 优化加工工艺

• 改进铸造、焊接、热处理等工艺参数。

6.2 振动时效处理

• 利用振动能量释放和重新分布残余应力。

6.3 热时效处理

• 加热材料并缓慢冷却，松弛和消除内部应力。