殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

1. 加工制造過程

• 熱加工：如鑄造、焊接、熱處理時，材料各部位冷卻速度不均，導(dǎo)致收縮或膨脹不一致（如焊接時焊縫區(qū)高溫膨脹受周邊低溫區(qū)域約束，冷卻后形成拉應(yīng)力）。

• 機(jī)械加工：切削、磨削等工藝會使表面層產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部彈性變形區(qū)域試圖恢復(fù)原狀，導(dǎo)致表面形成殘余應(yīng)力（如磨削常產(chǎn)生表面壓應(yīng)力）。

• 相變：材料熱處理（如淬火）時，不同區(qū)域相變時間或組織轉(zhuǎn)變不完1全（如馬氏體與奧氏體比容差異），引發(fā)內(nèi)應(yīng)力。

2. 裝配與使用過程

• 零部件裝配時的過盈配合、冷壓裝配等會引入應(yīng)力（如齒輪軸與輪轂的過盈配合產(chǎn)生接觸應(yīng)力）。

• 長期服役中受循環(huán)載荷、溫度波動等作用，材料局部發(fā)生塑性變形，載荷去除后形成殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的分類

1. 按作用范圍分類

• 宏觀殘余應(yīng)力（第一類應(yīng)力）：作用于材料宏觀區(qū)域（如構(gòu)件整體或較大體積），應(yīng)力平衡范圍可達(dá)毫米級。例如焊接件中沿焊縫長度方向的拉應(yīng)力。

• 微觀殘余應(yīng)力（第二類應(yīng)力）：作用于晶粒或亞晶粒尺度，應(yīng)力在晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域平衡，尺度為微米級。例如多晶材料中各晶粒變形不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力。

• 超微觀殘余應(yīng)力（第三類應(yīng)力）：存在于原子尺度，由晶格畸變（如位錯、空位等缺陷）引起，影響材料力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性）。

2. 按應(yīng)力性質(zhì)分類

• 拉應(yīng)力：使材料有伸長趨勢的應(yīng)力（如焊接熱影響區(qū)常存在拉應(yīng)力，易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展）。

• 壓應(yīng)力：使材料有壓縮趨勢的應(yīng)力（如表面噴丸處理可引入壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度）。

殘余應(yīng)力的影響

• 積極影響：
  通過工藝手段（如表面噴丸、滾壓）在材料表面引入壓應(yīng)力，可抵消服役時的拉應(yīng)力，提高抗疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕能力（如航空發(fā)動機(jī)葉片、汽車彈簧的表面強(qiáng)化）。
• 消極影響：

• 導(dǎo)致變形與開裂：宏觀拉應(yīng)力可能使構(gòu)件產(chǎn)生變形（如焊接件扭曲）或誘發(fā)裂紋（如淬火件因應(yīng)力過大開裂）。

• 降低力學(xué)性能：微觀應(yīng)力會加劇材料內(nèi)部損傷積累，加速疲勞失效或腐蝕進(jìn)程（如橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕開裂）。

• 影響尺寸精度：機(jī)械加工后的殘余應(yīng)力可能在后續(xù)使用中釋放，導(dǎo)致零部件尺寸精度喪失（如精密齒輪熱處理后的變形）。

殘余應(yīng)力的測量方法

殘余應(yīng)力的控制與消除

• 工藝優(yōu)化：改進(jìn)加工流程（如焊接時采用對稱施焊、預(yù)熱緩冷），減少應(yīng)力產(chǎn)生源頭。

• 熱處理：通過退火、回火等工藝消除或降低殘余應(yīng)力（如鑄件的去應(yīng)力退火）。

• 機(jī)械處理：噴丸、振動時效等方法使材料產(chǎn)生微小塑性變形，釋放應(yīng)力并調(diào)整應(yīng)力分布。

• 數(shù)值模擬：利用有限元分析（FEA）預(yù)測加工過程中的應(yīng)力分布，指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化。