殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機理：

   各種機械加工工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會產(chǎn)生不同程度殘余應(yīng)力。下面用力學(xué)模型分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因。

 一、機械加工引起的殘余應(yīng)力

    這是金屬構(gòu)件在加工中zui易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當施加外力時，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限制了與其相鄰部分變形的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。如圖1.1a所示，當一均勻梁受純彎曲且上下表面進入塑性時，沿橫截面各層上的應(yīng)變分布如aa`線所示。其中mn部分產(chǎn)生了塑性變形，而no部分仍處于彈性狀態(tài)。當外力去除時梁的變形得到恢復(fù)，各點的應(yīng)變也得到釋放，但梁的上表面m點深至n點這一層內(nèi)已產(chǎn)生塑性變形，設(shè)上表面m點的塑性應(yīng)變?yōu)?epsilon;t，則當截面mm`各點的應(yīng)變恢復(fù)到折線bnon`b`時，整個截面內(nèi)將不存在應(yīng)力。但實際上梁截面內(nèi)應(yīng)變分布是以中性層為坐標原點的線性分布，所以當上表面的應(yīng)變值從εa降至εt時，截面內(nèi)各點仍有不平衡的彈性應(yīng)變?nèi)纭鱞on所示。因此梁的變形將繼續(xù)恢復(fù)，并使表面往下某一深度內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變?nèi)纭鱞pc所示。這時梁內(nèi)出現(xiàn)了如圖1.1b所示的應(yīng)力分布。直到所有的應(yīng)力在梁軸向總和為零且對o點的力矩為0時，截面處于平衡狀態(tài)而不再發(fā)生變形。這時沿截面各點出現(xiàn)了正負相間的自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，這就是殘余應(yīng)力。

上述分析可見，構(gòu)件在外力作用下出現(xiàn)局部的塑性變形，當外力去除時，這些局部的塑性變形限制了整個截面變形的恢復(fù)，因此產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應(yīng)力往往是很大的。

二、溫度不均勻引起的殘余應(yīng)力

這種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有以下兩種原因：*是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形；第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。

1、于熱塑性變形不均而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；

金屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降。如果構(gòu)件上溫度場的溫度階梯較大，則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的，因此在高溫下出現(xiàn)的熱塑性也是不均勻的。如圖1.2所示，是材料在不同溫度下的屈服極限的變化曲線。從圖中可以看出，材料在0—500℃階段的屈服極限基本不變，等于常溫時的屈服極限σs 。當溫度在500—600℃階段時，材料的屈服極限成線形下降至接近于零。當溫度超過600℃以后，可以認為屈服極限為零。

2、因組織改變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

從圖1.2中可見，如果溫度大于600℃，其應(yīng)力變化與低溫時是相似的。但由于這時材料的屈服極限接近于零。因此很容易出現(xiàn)熱塑性變形。變形恢復(fù)時受的阻力也比前者大，所以殘余應(yīng)力也較大，但產(chǎn)生殘余應(yīng)力的條件是不變的。高溫中的另一個問題就是由相變引起的相變應(yīng)力。金屬的組織發(fā)生相變時，會出現(xiàn)體積的突然膨脹。如果這種膨脹是均勻的，則如同構(gòu)件均勻熱膨脹一樣，沒有約束的情況下不產(chǎn)生應(yīng)力。但是由于構(gòu)件的組織成分不均勻，溫度分布不均勻等等原因，造成構(gòu)件各部分相變時間不同，體積膨脹不均勻，因此使各部分間出現(xiàn)互相約束而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。

三、構(gòu)件尺寸公差引起的殘余應(yīng)力

在焊接、鉚接、螺釘連接時往往有公差配合問題。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起，這些由外力拉到一起而組合的結(jié)構(gòu)，當外力去除后，整個系統(tǒng)就出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力一般來說屬于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，大多數(shù)情況下處于彈性狀態(tài)。

總之，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于構(gòu)件某一部分的變形恢復(fù)受到約束而造成的。局部不均勻的塑性變形的出現(xiàn)，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的普遍原因。一個構(gòu)件上殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)是由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的綜合值來決定的，因此它的分布規(guī)律是隨機的，給測量和研究帶來較大的困難。

殘余應(yīng)力的影響

金屬構(gòu)件（鑄件、焊接件、鍛件），在加工過程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，高者在屈服極限附近。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危害作用；如使構(gòu)件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響了構(gòu)件的尺寸精度。因此降低和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力，就顯得十分必要。

1、對金屬材料屈服極限的影響

圖1.3為金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。

如果材料具有拉伸殘余應(yīng)力，如圖中σt，則相當于提高了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的坐標原點，而改為σo-εo坐標。即相當于降低了材料的拉伸屈服極限。即： σts =σs-σt

而相應(yīng)提高了壓縮屈服極限。                      即：σ                 ″             ts=-（σs＋σt）

如果材料具有壓縮殘余應(yīng)力的情況，就如同圖1.3中坐標σ‵o - ε‵o 所描述的那樣：使拉伸屈服極限提高，而壓縮屈服極限降低。

我們必須在考慮構(gòu)件強度性能要求的基礎(chǔ)上來評定這些影響的好壞。一般來說，設(shè)計者不希望構(gòu)件內(nèi)具有拉伸殘余應(yīng)力，但假若構(gòu)件內(nèi)具有壓縮殘余應(yīng)力，則可提高構(gòu)件的疲勞壽命。這正象預(yù)壓力鋼筋混凝土梁可以提高構(gòu)件的使用強度一樣。因此，對殘余應(yīng)力所造成的屈服極限的變化，要根據(jù)設(shè)計者的要求使用極限強度來加以衡量。

2、殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

人們很早就知道，當受到交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng)力時，該構(gòu)件的疲勞強度會有所提高，而存在拉伸殘余應(yīng)力時，其疲勞強度會有所下降。因此在實際應(yīng)用中往往通過表面硬化處理產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而有效地提高疲勞強度。但是很多情況下，構(gòu)件表面存在的是拉伸殘余應(yīng)力，人們首先考慮的是如何來改變這種應(yīng)力分布以提高疲勞壽命，這就是調(diào)整殘余應(yīng)力問題，這與考慮殘余應(yīng)力對變形的影響是不相同的，后者考慮的是如何降低和消除殘余應(yīng)力以保證構(gòu)件變形的穩(wěn)定性。

實際上，殘余應(yīng)力對疲勞的影響因條件和環(huán)境的不同而改變。它與殘余應(yīng)力分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態(tài)等因素有關(guān)。當我們研究殘余應(yīng)力對疲勞的影響時既要考慮宏觀殘余應(yīng)力的影響，也要考慮微觀殘余應(yīng)力的影響。可以認為，宏觀殘余應(yīng)力在初期暫時與作用的交變應(yīng)力疊加，改變應(yīng)力水平，較大地影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應(yīng)力，在應(yīng)力交變過程中，會使微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積累，這些影響比起對靜強度的影響來說，在實際上更為重要。

                        圖1.4所示的是對厚度3mm的薄板進行噴丸強化和形變強化使之表面出現(xiàn)壓縮殘余應(yīng)力，并通過對不同量值的殘余應(yīng)力試件進行脈動彎曲疲勞極限的測定得出的殘余應(yīng)力與疲勞極限間的關(guān)系。從圖中可以看出，外表面zui高的殘余應(yīng)力與疲勞極限間的關(guān)系極為明顯。

用熱處理方法使表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力也是對疲勞強度影響的實例，圖1.5是把圓棒在600℃時急冷，使表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

電鍍處理的殘余應(yīng)力由于工藝電流、電鍍液種類、溫度等的不同，使其分布和量值的差異很大，因此電鍍殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響變化也很大。多數(shù)金屬在電鍍后表面產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，因此將大大降低疲勞強度。

殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響是復(fù)雜的。由于在交變應(yīng)力作用下殘余應(yīng)力將會發(fā)生很大的變化，所以研究殘余應(yīng)力與疲勞強度之間的關(guān)系是比較困難的。但其影響規(guī)律，通過實驗還是可以找到的。

3、殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響

殘余應(yīng)力是一個不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當構(gòu)件受到外力作用時，作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分配，當外力作用去除時整個構(gòu)件將要發(fā)生變形。所以殘余應(yīng)力明顯地影響著加工后的構(gòu)件精度。這也是機械加工和工程部門zui關(guān)心的問題之一。

實踐已證明，具有表面拉伸殘余應(yīng)力的構(gòu)件其變形穩(wěn)定性遠遠不如具有表面壓縮殘余應(yīng)力的構(gòu)件變形穩(wěn)定性好。

殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響包括兩個方面，一是構(gòu)件抗靜、動載荷的變形能力，另一方面是荷載卸除后變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在這兩個方面對構(gòu)件的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影響的有效辦法。

4、殘余應(yīng)力對金屬脆性破壞的影響

脆性破壞是構(gòu)件在幾乎不存在塑性變形的情況下突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然增大的情況下，zui容易發(fā)生。這時塑性變形處于抑制狀態(tài)，如再突然受到較大的作用應(yīng)力等原因，就易于發(fā)生脆性斷裂破壞。殘余應(yīng)力是作為初始應(yīng)力存在于構(gòu)件內(nèi)，特別是拉伸殘余應(yīng)力與作用拉應(yīng)力疊加而加速了脆性破壞。

下面我們做個實驗：把長度91cm、寬76cm、厚為2cm的軟鋼板對焊起來。在焊縫處沿接合方向的殘余應(yīng)力是接近于焊接金屬屈服極限的拉應(yīng)力。將焊好的試件一部分做退火處理以消除殘余應(yīng)力，再與未經(jīng)處理的試件一起放在-13℃下冷卻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理的試件未出現(xiàn)裂紋，而沒經(jīng)退火處理的試件即使無外力作用下也出現(xiàn)了脆性裂紋。分析其原因是在溫度的快速下降時，材料塑性下降所引起的脆性破壞。殘余應(yīng)力的脆性破壞在焊接件中zui易發(fā)生。某重型汽車廠生產(chǎn)的車架由于焊接裂紋而大批報廢。某造船廠鑄造的十幾噸重的大型鏈輪箱，因開箱溫度過高而室溫較低，箱體交角處從上至下出現(xiàn)斷裂裂紋，裂紋速度發(fā)展較快。這些都說明在無外力作用下產(chǎn)生脆性破壞*是殘余應(yīng)力引起的。

5、殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

金屬與周圍介質(zhì)的接觸而產(chǎn)生化學(xué)作用所引起的破壞稱做腐蝕。如果在發(fā)生腐蝕的同時還有應(yīng)力的作用，則會加速腐蝕破壞，這就是應(yīng)力腐蝕開裂。它的特點是：一是拉應(yīng)力與腐蝕共存。二是由于材料成分和組織不同、介質(zhì)不同等，對應(yīng)力腐蝕的敏感性也不同。有時在不發(fā)生腐蝕的介質(zhì)中，有些金屬在應(yīng)力作用下也發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。三是在應(yīng)力腐蝕開裂過程中，首先出現(xiàn)點蝕，再逐步擴展成裂紋，裂紋的擴展主要是沿著zui大主應(yīng)力垂直的方向進行，在微觀上是沿著材料晶界或穿過晶粒進行。

試驗證明，拉應(yīng)力和腐蝕共存是應(yīng)力腐蝕的必要條件。拉應(yīng)力使腐蝕破壞加速，這是應(yīng)力對腐蝕的作用。而殘余應(yīng)力的存在則必有拉伸應(yīng)力，因此對于承受腐蝕的金屬構(gòu)件來說，殘余應(yīng)力也起到了應(yīng)力腐蝕的作用。對于壓縮殘余應(yīng)力則恰恰相反，可以防止和減低應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。防止應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)場措施有表面壓延、噴丸和氮化處理等，其原理都是使構(gòu)件表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。