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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。