残余应力产生的原因

残余应力分类

构件在制造加工过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响; 当这些因素消失之 后，若构件所受到的上述作用与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，或称残余应力。

残余应力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。

凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，

亦称为内应力。

残余应力是一种固有应力。

残余应力的存在状态是随材料性能、产生条件等的不同而异，分类的方法也不一黔。若按残余应力作用的范围区分，则可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类。

(一) 宏观残余应力

宏观残余应力，又称为第一类残余应力，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。本书主要研究宏观残余应力，以后若不作特别说明，所谓残余应力均指宏观残余应力。

(二) 微观残余应力

微观残余应力属于显微视野范围内的应力。依其作用的范围，又可细分为两类:即微观结构应力，或称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的应力；晶内亚结构应力，又称为第三类残余应力，它是在一个晶体内部作用的，

按残余应力产生的原因，Cmwan 等人将微观残余应力分为如下几种:

1. 由于晶粒的各向异性而产生的微观残余应力

这里所指的包括晶体的热膨胀系数、弹性系数等各向异性和晶粒间的方位不同而产生的 微观残余应力。以晶体弹性系数的各向异性为例，铅的单晶体的弹性模童随晶体方位不同可 以有I 至3倍的变化，锌的单晶体有1至4倍的变化。大多数金属的弹性模蚤都具有各向异 性，其弹性模盈，一般以晶体的(111》方向为最大，(100>方向为最小; 在多晶体中，由于各晶粒

的方向不同，即使所施加的外力是均匀的，各晶粒的变形也可能是不同的，此时若有塑性变形

发生，则各晶粒的塑性变形也是不均匀的，因而必然引起残余应力。

2. 由于晶粒内外的塑性变形而产生的微观残余应力

这里所指的包括晶粒内的滑移、穿过晶粒间的滑移及双晶的形成等而产生的微观残余应 力。例如晶粒内有滑移变形，位错就在晶界堆积; 又如穿过晶粒在更广的范围内进行滑移，显

示出折曲带等悄况，由于位错穿过晶粒并不消失，因此这时亦在组织内不均匀的形成各种内部

缺陷; 等等。这些就成为外力卸除之后产生微观残余应力的主要原因。

3.由于夹杂物、沉淀相或相变而出现的第二相所产生的残余应力

在金相组织内，当夹杂物、析出物及相变而出现不同相时，由于体积变化及热应力的作用，将可能产生相当大的微观残余应力。

以上介绍了残余应力的概念与分类。

近年来，由于在设计机械零部件时，要求材料承受育月功率、高速度和高温的倾向日益增强，

在技术上应用价值的观点更加突出，而残余应力的存在对于零部件的尺寸稳定性、疲劳强度

及

应力腐蚀等等都将产生直接的影响。因此，开展残余应力研究，对于如何按照工况正确确定构

件的设计应力，保证材料应用的可靠性，具有重要的现实愈义。

本节主要研究宏观残余应力，而对于宏观残余应力的研究的焦点则是如何正确地进行定 量分析。定量分祈的基本方法可分为两大类，一是残余应力的实验测试方法，这方面的工作在

国内外都已广泛开展，并已在工程检测中取得实效; 一是残余应力预见性的计算方法，近几年

来发展也很迅速，但尚处于开发性研究阶段。

残余应力产生的原因

宏观残余应力的产生原因，大致有如下三种情况。

(一) 不均匀塑性变形产生的残余应力

这是构件在加工过程中最常出现的残余应力。当施加外载时，若构件的一部分区域发生 不均匀塑性变形，则在卸载后，该部分就产生残余应力; 同时，由于残余应力必需在整个构件内

达到自相平衡，致使构件中不发生塑性变形的哪一部分区域也产生残余应力。

(二) 热影响产生的残余应力

构件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于构件在热加工中的不均 匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。

1. 热的作用产生的不均匀塑性变形

当构件在加热、冷却过程中由于高温下材料的屈服强度较低，在热的作用下，易于产生塑

性变形。并且由于构件的几何形状复杂等等因素，在加热、冷却过程中构件各部分的热传导状

态不同，构件的温度场不均匀，致使构件内各部分的弹性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而

构件内部所产生的塑性变形也是不均匀的。

2. 相变或沉淀析出引起的体积变化

冷却时，构件各部分的瞬时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而各部分的瞬时相变程

度不均匀，即有的部位相变已完全结束，而有的部位相变尚未开始，从而引起构件各部分的体

积变化不均匀。

上述由于热的作用而引起的不均匀的塑性变形与由于相变作用而引起的体积变化所产生

的应力，分别称为热应力与相变应力。例如钢材淬火，一方面由于钢件内各部分不均匀膨胀而

产生热应力，当平衡温度消除热应力之后，钢件内因残留永久不均匀的塑性变形与体积变形而产生残余应力; 另一方面还伴有相变应力作用的情况

化，往往比热应力引起的体积变化为大

，随着相变而引起的相变区域的体积变

，由于此一不均匀体积变形也将产生残余应力。

钢材淬火残余应力是由热应力与相变应力的作用而产生的，

产生的残余应力是按“热应力型”分布的

(三) 化学变化产生的残余应力

当前者的作用大于后者时，则，否则是按“相变应力型”(或称“组织应力型”) 分布的。 这种残余应力是由于从构件表面向内部扩展的化学或物理的变化而产生的。金属材料的 化学热处理、电镀、喷涂等等加工均属此例。如钢材进行氮化时，在钢件表面由于形成氮化铁的相和r1相而引起密度变化，明显的压缩残余应力。钢材渗碳时也有同样的情形发生。