残余应力分类与评估.docx

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残余应力分类与评估

1残余应力

1.1残余应力的定义及分类

构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。

可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。

残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：

①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。

1.2残余应力的本质

一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。

在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。

产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。

如金属合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力,机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态,所以零件产生变形。

当零件刚性较大,形状对称时,变形较小。

反之,则变形十分明显。

在工件内部实际应力的情况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。

1.3残余应力的影响

机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。

低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆”，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，黄铜在带有氨气气氛中的“氨脆”等等属于应力腐蚀开裂，所有这些应力腐蚀主要是由于残余应力引起的。

尺寸稳定性是表示材料在热处理与加工完毕后，在工作环境下不受外力作用或在低于弹性极限的应力作用下抵抗永久变形的能力以及在加工过程中保持尺寸不变的能力。

一般认为，长期存放过程中金属尺寸的自发变化是以下因素的结果：

①材料的相与组织状态的不稳定性；②在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在机械装配操作时零件中发生残余内应力的松弛；③Paquin等认为性能的不均匀性即各向异性材料导致材料在加热过程中诱发残余应力的松弛，也是尺寸不稳定性的一个内应。

在仪器仪表制造业、航空工业中以及宇航工业，构件的尺寸稳定性性能越来越难以适应现代精密仪表设计的要求。

在一个高精度的陀螺和罗经系统中,其任意元件的尺寸不稳定都可能导致其质心的偏移,而质心的偏移本身将会产生一个错误的信号,这会在制导系统中引入误差,直接影响制导精度。

在宇航这一应用领域,10-6乃至10-7数量级的微小塑性应变都将成为重要的误差来源。

薄壁零件加工过程中，由于变形难以保证加工精度，造成材料的浪费和产品报废，直接影响到企业的生产效率及经济效益。

宇航产品为了减轻零件的重量,形状大都为高筋薄壁,因装配的需要,还有部分半环。

这类零件,残余应力引起的残余变形的后果是非常严重的。

这种或大或小、或拉或压的残余应力即使只产生在很薄的表面层中，但却在很大程度上影响零件的强度、硬度、疲劳强度、抗腐蚀性等，从而进一步影响机械产品的使用寿命。

残余应力问题一直受到人们的关注。

在机械加工过程中，外力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。

在铸造、锻造、焊接及各类切削加工过程中，工件均会由于受外力和温度的作用而引起残余应力。

残余应力的产生、叠加及释放过程造成零件内部应力状况的重新分布，就可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度，降低零件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力，最终影响到机器设备的性能与使用寿命。

因此，分析残余应力的产生机理、探究有效的残余应力测试方法与改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。

事实上，在各工业领域如机械、水利水电、热电核电、航空航天、石油化工、冶金、铁路、交通等行业，残余应力测试技术及其应用研究始终受到高度重视，特别是加人世贸组织以来，为了与国际接轨，残余应力测试已成为许多行业必需的检验和控制手段。

2残余应力的消除方法

由于残余应力会对构件质量产生诸多不良影响，故相关专业人士对如何消除展开了诸多研究并且系统化提出了消除和控制构件中残余应力的方法。

残余应力消除的方法一般有以下几种，各种方法效果也不尽相同。

（1）机械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的合金板材，沿轧制方向施加一定量的永久拉伸塑性变形，使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形，使残余应力得以缓和与释放。

（2）振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器，使金属结构产生一个或多个振动状态，从而产生如同机械加载时的弹性变形，使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后，超过材料的屈服应力引起塑性应变，从而引起内应力的降低和重新分布。

（3）脉动法通过在零件上施加一定载荷和频率，呈周期变化的循环载荷，可以有效释放零件的残余应力。

（4）时效消除法，一般有以下几种。

①自然时效，将构件露天放置于室外，经过几个月甚至几年的时间使残余应力发生松弛，从而使构件尺寸精度获得稳定。

该方法简单易行，但生产周期长，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，而且只能降低少量的残余应力。

②人工热时效，热时效工艺要求比较严格，升温和降温的速度对热时效的效果影响很大。

该法是目前生产中应用最广泛、效果最好的一种应力消除方法。

但耗能大、成本高且污染严重；同时时效温度的提高，将使金属内部强化相析出过多，必然明显降低强度指标，产生过时效现象，因此，淬火后时效处理通常在较低温度（小于200～250℃）下进行，因而影响了应力消除效果（仅为10～35％）。

③振动时效，它是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定的方法。

该法成本低、设备简单、时间比较短，可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。

已在生产上得到一定的应用。

④声波时效法，超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广。

该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。

但是由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题，所以相对应用环境较窄，且成本颇高。

⑤热冲击时效法，其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

（5）深冷处理法，按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法两种。

其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入液氮中深冷，待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射，通过急热与急冷产生方向相反的热应力，借以抵消原来的残余应力场。

（6）脉冲磁场消除残余应力，MPS公司开发出一项以非热方式消除金属中残余应力的技术，称之为脉冲磁处理（PulsedMagneticTreatment,PMT）。

借助PMT，可使金属中的组织缺陷得到改善,从而使零件中的残余应力得以消除。

从微观分析的角度来说,PMT对提高或改善金属零件的尺寸稳定性；耐磨性与耐蚀性也有作用，对金属材料的磁滞后特性、疲劳、扩散以至相变等特性也会产生重大影响，该技术在冷拔管材、焊接件、丝材和弹簧等制品的残余应力消除应用中,已获得飞速发展。

（7）爆炸法。

是利用爆炸冲击波的能量使构件应变区产生塑性变形，从而达到降低或消除残余应力的目的。

该法常用于焊接构件，爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，根据需要还可以在焊接区造成残余压应力。

（8）其它方法，打压法、锤击、喷丸、滚压等。

喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。

上述方法中外机械拉伸（压缩）法可达90％左右，恒温时效法10～35％，振动消除法20～70％，深冷处理法25％～83％。

因此，现有工艺技术与方法尚无法从根本上消除合金结构件锻件毛坯中的残余应力。

3残余应力的测定与评估

实际生产中，准确把握构件的残余应力的分布十分必要，一般可通过计算或直接实验测定得到。

欲了解构件残余应力的分布，特别是一些比较复杂构件的残余应力分布，采用计算方法有时将遇到种种困难，臀如有时因缺乏材料的一些机械性质与物理性质的有关信息而导致计算工作无法进行。

因此，采用实验测试方法是有实用意义的。

残余应力的测试方法很多，按其对于被测构件是否具有破坏性而言，可分为有损检测（包括部分损坏检测法和全部损坏检测法）与无损检测两大类。

3.1无损检测法

有损检测法主要有钻孔法、取条法、切槽法、环芯法、剥层法、剖面法与裂纹法，目前应用最多的是钻孔法和环芯法，该方法是部分或全部的去掉测点周围的材料组织即去掉了对该点的约束，使应力全部或部分释放。

实际操作中是将欲测构件，利用机械加工的方法（如钻孔等），使其因释放部分应力而产生相应的位移与应变，盆测这些位移或应变.经换算，得知构件加工处原有的应力。

因此，这种测试方法又称为机械侧试法或应力释放法。

3.1.1钻孔法

钻孔法在我国又称为小孔法或盲孔法经多人的研究与改进，现在已经发展成为一项比较成熟的通过钻小孔测量构件残余应力的方法和技术。

其基本思想是在具有残余应力的构件上钻一小孔，使孔的领域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，测量这些位移或应变，经换算得到转孔处的原有的应力。

它在工程上得至广泛应用，其最大特点是对试件损伤小，甚至不影响构件的正常使用。

假定一块各向同性的平板中存在某一残余应力，若钻一小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力重新分布，该应力的变化称为释放应力。

由应变计感受其应变，应变计离孔边愈近，则感受的应变愈大，灵敏度也愈高。

通常表面残余应力是平面应力状态，两个主应力和主方向角共三个未知数，要求用三个应变敏感栅组成的应变花进行测量，每个敏感栅的中心布置在同一半径上。

盲孔法是目前工程上最常用的残余应力测量方法，美同ASTM协会已将其纳入标准。

近年来各国研究者继续对盲孔法作了大量的研究工作，从实际操作中的各种工艺冈素、误差来源等方面进行了深入分析，使其日趋完善。

由于盲孔法的计算公式是根据通孔的简化力学模型推导出的，与实际情况存在偏差，对此，一般采用有限元数值分析的方法，分别对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布情况进行计算，得出孔径深比及孔缘孔底形状对释放应力的影响，避免Kirsch通孔解所带来的误差，同时又可省去大量人工实验标定的繁琐。

由于在钻孔过程中，钻头使孔壁经历了弹性变形、塑性变形和切断过程，因而在孔壁周围由于局部塑性变形而产生附加应力场，使粘贴在该区域内的应变片感受到附加应变，其大小受孔径、孔深、钻进速度、钻头类型、钻刃锋利程度、应变片尺寸及其到盲孔中心的距离等因素的影响。

3.1.2环芯法

环芯法是部分损坏检测法，也称部分释放法，在我国又称为圆环法、切槽法。

方法是用一种皇冠形铣刀加工出一个圆环形槽，中间为一个环芯。

加工出的环芯应该是应力对它的作用最小，释放出的应变最大。

用特制的应变花来测量环芯部位释放出的应变，通过相应的公式计算，即可得到该部位的残余应力大小和方向。

环芯法是在待测工件表面用皇冠形铣刀加工出一个环形槽，将其中的环芯部分从工件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出来这种方法是利用材料的弹性变形即应力释放效果测量内部应力。

用改进后的特殊应变计来测量环芯表面产生的应变。

由测得结果及计算公式可知面各个方向的应变是槽深Z的函数。

3.1.3剥层法

其工作原理为：

当从含有残余应力的平板上去除一层材料时，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曲，平板弯曲的曲率取决于被去除掉的那层材料的原来的残余应力分布和遗留部分材料的弹性性能。

通过逐层去除并测量其去除后的曲率，平板的原始残余应力分布就可通过计算得到，常用于测定几何形状简单的试件的残余应力，测试过程快捷。

剥层法仅适合于平板类样品，可用于测量内部宏观残余应力，但不能用于表面应力或近表层内力的测量。

3.2无损检测法

无损检测法主要有X射线衍射法，中子衍射法、同步衍射法、超声波法和磁性法，其中X射线衍射法又包括普通X射线衍射法和硬X射线衍射法（或同步衍射法）。

这些均是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力（或应变）问的关系，通过测定这物理量推算出残余应力来。

X射线的原理与中子衍射相似，由于X射线的波长较大，其探测深度和精度不及中子衍射，但X射线源较中子源易于获得，因此工业上X射线的应用远较中子衍射为广。

因此X射线衍射法的工程上最为应用广泛，其余方法理论上尚不够完善，或者相应的测试设备比较稀缺，工程应用受到限制。

3.2.1X射线衍射法

盲孔法尽管是最常用的残余应力检测方法，但却或多或少会对构件造成损伤，这在很多情况下是不被允许的，例如对于压力容器，就绝不允许破损。

这使得人们必须去研究别的检测方法，其中，X射线法较为成熟，在已经发展出的众多无损检测多晶体材料表面残余应力的方法中，X射线最可靠、成熟，其实用性为各界所公认。

X射线衍射法的基本原理是通过测量晶体结构的变化来测量变化来测量应变的变化来测量应变。

X射线穿透能力有限，因而仅能测量材料与制品浅表层范围内的平均二维应力，该法的主要缺点是尺寸和几何形状有很大限制。

组成金属材料的晶粒是由一定晶体结构的无数晶胞组成的，在其被测区域的X光照射面积内含有足够多的晶粒，且各晶粒的晶体学取向是充分紊乱的，以至采用任意指数的晶面参与衍射，都有足够多的相同晶面指数的晶面参与衍射。

当金属受到力的作用时就会发生应变，晶粒中的不同晶面指数的晶面应变各不相同。

只要知道了晶粒内特定晶面族面间距的变化，经布拉格方程就可得到应变量的大小，然后根据胡克定律即可求得应力值。

X射线测残余应力一般有以下特点：

①速度快，准备工作简单；②理论成熟，精度高，结果可靠；③非破坏性测量，对金属构建的性能损害小，表面应力测量时属无损检测，必须剥层测内部应力时，属有损检测；④无需制备样品能够直接测量；⑤可测量指定点的应力分布情况；⑥一定条件下，可测定复相材料中某一指定相的应力；⑦测材料弹性应变时往往是弹性应变和范性应变之和。

由于X射线衍射法的无损性，这种方法向来在焊接结构残余应力测量中的应用研究十分广泛。

X射线法由于是通过直接测量晶体的原子间距来得到构件的变形信息，具有较高的精度。

然而，这种方法对粗晶等材料的测试目前尚有困难，某些材料很难找到衍射面，X射线测试设备也比较复杂。

由于穿透深度极浅，在测内部应力时必须剥层。

例如为研究大锻件淬火残余应力的形成和分布规律，就属于有损检测。

硬X射线法又称同步衍射法，它与传统的X射线法相比较，其主要优势除了穿透深度高得多以外，它还能提供窄缝高能束，且测量速度比X射线法快。

同步衍射实验设备也非常稀缺，仅限于若干欧美国家实验室，国内尚无该方面的研究报道。

这种设备的稀缺限制人们将其用于日常的科学研究与测试工作。

3.2.2中子衍射法

中子衍射法主要是利用材料晶格常数的变化来推算出物体的应力状态。

中子衍射通常指德布罗意波长为约1埃左右的中子（热中子）通过晶态物质时发生的布拉格衍射。

当在目前，中子衍射方法是研究物质结构的重要手段之一。

中子衍射的基本原理和X射线衍射十分相似，其不同之处在于：

①X射线是与电子相互作用，因而它在原子上的散射强度与原子序数成正比，而中子是与原子核相互作用，它在不同原子核上的散射强度不是随值单调变化的函数，这样，中子就特别适合于确定点阵中轻元素的位置（X射线灵敏度不足）和值邻近元素的位置（X射线不易分辨）；②对同一元素，中子能区别不同的同位素，这使得中子衍射在某些方面，特别在利用氢-氘的差别来标记、研究有机分子方面有其特殊的优越性；③中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生中子特有的磁衍射，通过磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁结构的极为重要的手段；④一般说来中子比X射线具有高得多的穿透性，因而也更适用于需用厚容器的高低温、高压等条件下的结构研究。

中子衍射法的工作原理与其他衍射法一样，也是根据多晶体材料内部弹性变形引起的晶粒削距相对于无应力状态时的变化量进行应力测定的。

其测量方法也是与射线法是一样的。

中子法的最大优势是比X射法可以得到很大的穿透深度，同时具有很高的空间分辨率，从而通过移动与转动被测试件来实现的能够完全绘制工程零部件的三维应变图。

然而，它的缺点是需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样品和较长的数据收集时间，测试成本太高，中子衍射设备非常稀缺，仅限于若干欧美国家实验室，国内尚无该方面的研究报道。

3.2.3超声波法

超声波法是利用声双折射现象的。

一般一个在媒质1中的超声纵波以一定倾斜角度入射，通过两媒质的介面向媒质2内传递时，它将分解成两个纵波和两个横波。

但当入射波是沿垂直于各向同性介质表面传播时，可以证明它将形成两个纯粹与入射波同类型的波。

这个规律为利用超声波测定残余应力提供了理论根据和实验基础。

一个各向同性固态介质，在应力的作用下是具有声弹性的（和磁性相似）。

即在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化，也就是由于应力的存在引起了各向异性。

当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时。

超声波仅只分解成两个方向的超声波（反射波和折射波）。

超声波法正是采取某种手段测定应力引起的声双折射、声传播速度变化及超声频谱变化，测量出这些变化以后便可计算出作用在物体上的外力或残余应力。

超声波测定残余应力有很多优点：

①能无损测定实际构件的表面应力和内部应力；②可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害；③超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，特定条件下可一机多用。

但是目前超声波法仍处于试验研究阶段，还存在许多问题：

①测定的结果要受到材料性能、工件形状和组织结构的干扰较大；②同时测量应力急剧变化、形状复杂和受三向应力的实际构件时还存在许多问题；③声波波长太长，利用干涉法目前还难实现，测量的灵敏度较低为了测定介质中的声速变化，必须用高灵敏度的设备和仪器来测定，测定过程比较烦琐。

3.2.4磁测法

当铁磁材料中有残余应力存在时，其磁性会发生变化，人们就利用磁性的这种变化来评定铁磁材料中的残余应力。

目前应用的磁性方法有两种：

磁噪声法和磁应变法。

铁磁性材料内部存在大小不同的磁畴，每个磁畴的磁化矢量是不相同的，应力和外加磁场可改变磁畴的大小，从而使物体的尺寸与磁力性能发生变化，这即为磁致伸缩效应。

磁畴大小的变化伴随畴界移动，而材料中的晶界及杂质等则对畴界起钉扎作用。

当施加一磁场或应力于材料时，磁畴有变化的趋势，但由于钉扎源的存在，作用区中磁畴的大小仅在外因达到某一数值时才会变化，畴界不连续的移动会产生电磁脉冲，叫巴克豪森信号，通过这些信号的处理我们可以得到应力分布情况。

磁噪声法是铁磁材料在外加交变磁场的作用下，磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化，从而释放出弹性应力——应变波，此现象称为磁噪声，又称为巴克豪森磁噪声（BN）。

研究表明，BN信号的大小与材料中的应力和显微组织及缺陷的变化有关，故有人用测量BN在探测线圈内感应产生的脉冲电压信号的大小来检测材料的应力、显微组织和缺陷。

显然在测得BN信息大小时，还必须把各种因素的影响区别开来，从而得到应力的分布情况。

在我国，测残余应力的磁性法用得较多的是磁应变法。

其原理是，基于铁磁性材料（如低碳钢等）的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化；反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态（导磁率和磁感应强度等）也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。

磁力法与上述方法相比，具有测量速度高，探测深度大（可达数毫米），无辐射危险等优点，此外一般磁力仪携带方便，因而可对使用中的构件进行实时实地且安全的测量。

但磁力法只能用于铁磁性材料，且对材料结构等因素也敏感，这些因素均多多少少限制了磁力法在工业上的应用。