残余应力

残余应力的产生

第一章残余应力的产生

残余应力是指在没有对物体施加外力时，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。它是固有应力或内应力的一种。

产生残余应力的机理：

各种机械加工工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会产生不同程度残余应力。下面用力学模型分析残余应力产生的原因。

一、机械加工引起的残余应力

这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。如图1.1a所示，当一均匀梁受纯弯曲且上下表面进入塑性时，沿横截面各层上的应变分布如aa`线所示。其中mn部分产生了塑性变形，而no部分仍处于弹性状态。当外力去除时梁的变形得到恢复，各点的应变也得到释放，但梁的上表面m点深至n 点这一层内已产生塑性变形，设上表面m点的塑性应变为εt，则当截面mm`各点的应变恢复到折线bnon`b`时，整个截面内将不存在应力。但实际上梁截面内应变分布是以中性层为坐标原点的线性分布，所以当上表面的应变值从εa降至εt时，截面内各点仍有不平衡的弹性应变如△bon所示。因此梁的变形将继续恢复，并使表面往下某一深度内产生压缩应变如△bpc所示。这时梁内出现了如图1.1b所示的应力分布。直到所有的应力在梁轴向总和为零且对o点的力矩为0时，截面处于平衡状态而不再发生变形。这时沿截面各点出现了正负相间的自相平衡的应力系统，这就是残余应力。

上述分析可见，构件在外力作用下出现局部的塑性变形，当外力去除时，这些局部的塑性变形限制了整个截面变形的恢复，因此产生了残余应力。这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拔、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。

二、温度不均匀引起的残余应力

这种残余应力的产生主要有以下两种原因：第一是由于温度不均匀造成局部热塑性变形；第二是由于相变引起的体积膨胀不均匀造成局部塑性变形。

1、于热塑性变形不均而产生的残余应力；

金属材料在高温下其性能将发生很大的变化，如屈服极限、弹性模量等都随温度的升高而下降。如果构件上温度场的温度阶梯较大，则屈服极限和弹性模量的分布也是不均匀的，因此在高温下出现的热塑性也是不均匀的。如图1.2所示，是材料在不同温度下的屈服极限的变化曲线。从图中可以看出，材料在0—500℃阶段的屈服极限基本不变，等于常温时的屈服极限σs 。当温度在500—600℃阶段时，材料的屈服极限成线形下降至接近于零。当温度超过600℃以后，可以认为屈服极限为零。

2、因组织改变而产生的残余应力

从图1.2中可见，如果温度大于600℃，其应力变化与低温时是相似的。但由于这时材料的屈服极限接近于零。因此很容易出现热塑性变形。变形恢复时受的阻力也比前者大，所以残余应力也较大，但产生残余应

力的条件是不变的。高温中的另一个问题就是由相变引起的相变应力。金属的组织发生相变时，会出现体积的突然膨胀。如果这种膨胀是均匀的，则如同构件均匀热膨胀一样，没有约束的情况下不产生应力。但是由于构件的组织成分不均匀，温度分布不均匀等等原因，造成构件各部分相变时间不同，体积膨胀不均匀，因此使各部分间出现互相约束而产生了残余应力。

三、构件尺寸公差引起的残余应力

在焊接、铆接、螺钉连接时往往有公差配合问题。如船体分段对接时必须将对接钢板拉到一起，这些由外力拉到一起而组合的结构，当外力去除后，整个系统就出现了残余应力。这种应力一般来说属于结构应力，大多数情况下处于弹性状态。

总之，残余应力的产生是由于构件某一部分的变形恢复受到约束而造成的。局部不均匀的塑性变形的出现，是产生残余应力的普遍原因。一个构件上残余应力的分布状态是由各种原因产生的残余应力的综合值来决定的，因此它的分布规律是随机的，给测量和研究带来较大的困难。

残余应力的影响

金属构件（铸件、焊接件、锻件），在加工过程中，产生残余应力，高者在屈服极限附近。构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用；如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力，就显得十分必要。

1、对金属材料屈服极限的影响

图1.3为金属材料的应力-应变曲线示意图。

如果材料具有拉伸残余应力，如图中σt,则相当于提高了应力-应变曲线的坐标原点，而改为σo-εo坐标。即相当于降低了材料的拉伸屈服极限。即：σts=σs-σt

而相应提高了压缩屈服极限。即：σ″t s=-（σs+σt）

如果材料具有压缩残余应力的情况，就如同图1.3中坐标σ‵o-ε‵o 所描述的那样：使拉伸屈服极限提高，而压缩屈服极限降低。

我们必须在考虑构件强度性能要求的基础上来评定这些影响的好坏。一般来说，设计者不希望构件内具有拉伸残余应力，但假若构件内具有压缩残余应力，则可提高构件的疲劳寿命。这正象预压力钢筋混凝土梁可以提高构件的使用强度一样。因此，对残余应力所造成的屈服极限的变化，要根据设计者的要求使用极限强度来加以衡量。

2、残余应力对疲劳寿命的影响

人们很早就知道，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。但是很多情况下，构件表面存在的是拉伸残余应力，人们首先考虑的是如何来改变这种应力分布以提高疲劳寿命，这就是调整残余应力问题，这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的，后者考虑的是如何降低和消除残余应力以保证构件变形的稳定性。

实际上，残余应力对疲劳的影响因条件和环境的不同而改变。它与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响时既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变应力水平，较大地影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力，在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，这些影响比起对静强度的影响来说，在实际上更为重要。

图1.4所示的是对厚度3mm的薄板进行喷丸强化和形变强化使之表面出现压缩残余应力，并通过对不同量值的残余应力试件进行脉动弯曲疲劳极限的测定得出的残余应力与疲劳极限间的关系。从图中可以看出，外表面最高的残余应力与疲劳极限间的关系极为明显。

用热处理方法使表面产生压缩残余应力也是对疲劳强度影响的实例，图1.5是把圆棒在600℃时急冷，使表面产生压缩残余应力。

电镀处理的残余应力由于工艺电流、电镀液种类、温度等的不同，使其分布和量值的差异很大，因此电镀残余应力对疲劳强度的影响变化也很大。多数金属在电镀后表面产生拉伸残余应力，因此将大大降低疲劳强度。

残余应力对疲劳强度的影响是复杂的。由于在交变应力作用下残余应力将会发生很大的变化，所以研究残余应力与疲劳强度之间的关系是比较困难的。但其影响规律，通过实验还是可以找到的。

3、残余应力对构件变形的影响

残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时，作用应力与残余应力的相互作用，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配，当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显地影响着加工后的构件精度。这也是机械加工和工程部门最关心的问题之一。

实践已证明，具有表面拉伸残余应力的构件其变形稳定性远远不如具有表面压缩残余应力的构件变形稳定性好。

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。残余应力在这两个方面对构件的影响是很大的，因此人们一直在研究消除这些影响的有效办法。

4、残余应力对金属脆性破坏的影响

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。这时塑性变形处于抑制状态，如再突然受到较大的作用应力等原因，就易于发生脆性断裂破坏。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。

下面我们做个实验：把长度91cm、宽76cm、厚为2cm的软钢板对焊起来。在焊缝处沿接合方向的残余

应力是接近于焊接金属屈服极限的拉应力。将焊好的试件一部分做退火处理以消除残余应力，再与未经处理的试件一起放在-13℃下冷却，结果发现经处理的试件未出现裂纹，而没经退火处理的试件即使无外力作用下也出现了脆性裂纹。分析其原因是在温度的快速下降时，材料塑性下降所引起的脆性破坏。残余应力的脆性破坏在焊接件中最易发生。某重型汽车厂生产的车架由于焊接裂纹而大批报废。某造船厂铸造的十几吨重的大型链轮箱，因开箱温度过高而室温较低，箱体交角处从上至下出现断裂裂纹，裂纹速度发展较快。这些都说明在无外力作用下产生脆性破坏完全是残余应力引起的。

5、残余应力对应力腐蚀开裂的影响

金属与周围介质的接触而产生化学作用所引起的破坏称做腐蚀。如果在发生腐蚀的同时还有应力的作用，则会加速腐蚀破坏，这就是应力腐蚀开裂。它的特点是：一是拉应力与腐蚀共存。二是由于材料成分和组织不同、介质不同等，对应力腐蚀的敏感性也不同。有时在不发生腐蚀的介质中，有些金属在应力作用下也发生应力腐蚀现象。三是在应力腐蚀开裂过程中，首先出现点蚀，再逐步扩展成裂纹，裂纹的扩展主要是沿着最大主应力垂直的方向进行，在微观上是沿着材料晶界或穿过晶粒进行。

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。

残余应力在几种典型工况下的产生

1、铸造应力的产生：

（1）热应力

由于铸件各部分的薄厚不一样（如机床床身导轨部分很厚，侧壁.筋板部分较薄），铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压应力也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力随塑性变形而消失。

铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。

这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡的拉压应力，用类似与

上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

（2）相变应力

常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析（738℃）前的收缩中，薄厚壁均处于朔形状态，应力虽然不段产生，但又不断被塑性变性所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方结构变为体心立方结构（既γ—Fe变为a —Fe），比容由。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃和738 ℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反，相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不在产生相变应力，因此铸件由于薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。

（3）收缩应力（亦叫机械阻碍应力）：铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。

2、焊接应力的产生：

焊接中.焊缝处温度迅速升高，体积膨胀。热影响区温度低，阻碍焊缝膨胀，结果焊缝处产生压应力，热影响区产生拉应力。但此时焊缝处于塑性状态，焊缝被压应力墩粗，松弛了此应力。

焊后冷却时，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态。这时焊缝收缩，较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压应力，影响区受拉应力。但焊缝处于塑性状态，焊缝的塑性墩粗，松弛了此应力。

热影响区温度不断降低，冷却速度也变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向发生了转变，焊缝受拉应力，热影响区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快，收缩量大，热影响区温度低，冷却速度低，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果焊缝受拉应力，热影响区受压应力。此时没有塑性变形，这一对压应力，随着温度的降低，焊缝收缩受阻碍越来越大，拉应力也越来越大，直至室温，拉应力可近似于屈服极限。

3、淬火产生的残余应力

淬火工艺使构件产生残余应力的主要原因，是淬火件外表和心部的温差而造成的热应力，其次是由于相变而产生的组织应力。构件最终的残余应力将是这两种应力的综合值。

残余应力的分类

残余应力的分类有许多种，如：

A、按应力产生的原因，有热应力.相变应力.收缩应力。详细内容如上所述。

B、按应力方向分有拉应力（力的方向向背的应力），压应力（力的方向相同的应力）。

C、按影响区域的大小分有：

第一类应力，亦叫宏观应力。它是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力。如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧臂分布的压应力等。

第二类应力，亦叫微观应力。它是存在与一个晶粒或几个晶粒内，并保持平衡的应力。例如：晶粒1、2、

3、4、5同处拉应力的应力场中，应力大小为σ。从金属物理学可知：各个晶粒所受的切应力与取向因子成正比。假设晶粒1的取向因子最大，则晶粒1切应力最大。若此切应力略大于临界内应力，则晶粒1产生塑性变

性。其余各晶粒处于弹性状态。

当应力σ除掉后，晶粒2、3、4、5均为回复到原状态，但晶粒1产生塑性伸长，不能恢复到原状态，阻碍2、3、4、5晶粒回复，结果晶粒1受压应力。其余各晶粒受拉应力。这种在几个晶粒间存在并保持平衡的应力，称为第二类残余应力。

第三类应力，亦叫超微观应力。它是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。例如，间隙原子与溶剂原子间存在的应力。

D、按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为：

临时应力：所产生应力的条件消失后，应力也随之消失。

残余应力：亦叫残留应力或内应力。产生应力的条件消失后，应力依然存在于工件不同部位的应力叫残余应力。如热应力.相变内应力.收缩应力等，都是残余应力。

综上所述，铸造.锻造.焊接等都必然产生残余应力。焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈服点的拉应力。而铸铁件由于石墨尖端的松弛，残余应力不高，铸造应力范围列与表一。

各种铸铁件的铸造应力单位：N/mm2