残余应力产生的原因及力学模型分析，机械加工影响几何？

残余应力，即在物体未受到外力作用的情况下，物体内部所形成的维持自身平衡的应力体系。这类应力属于固有应力或内应力范畴。

残余应力产生的原因

机械加工过程中，诸如铸造、切削、焊接、热处理及装配等工艺，均会导致不同水平的残余应力出现。对此，我们将借助力学模型来探究这些残余应力形成的根本原因。

一、机械加工引起的残余应力

金属构件在加工过程中最常出现的一种问题是残余应力。这种应力产生的原因在于，当外力作用于物体时，其一部分会发生塑性变形。在卸载之后，这部分塑性变形的区域会阻碍邻近部分恢复原状，从而导致残余应力的形成。

图中可见，当一根等截面梁仅受到弯曲作用，并且其上下表面已进入塑性阶段，其横截面上各层材料的应变分布可由aa'曲线体现。在这其中，mn区域出现了塑性变形现象，而no区域则保持弹性未变。外力一旦撤除，梁的形变便得以恢复，各点的应力状态亦随之解除。然而，梁的上表面从m点至n点这一区域已经发生了塑性形变。若设上表面m点的塑性应变为εt，那么，当截面mm'上各点的应力状态恢复至折线bnon'b'所示状态时，整个截面范围内将不再存在应力。实际上，梁的截面应变分布是以中性层作为基准点的线性排列，故而上表面应变值从εa减小到εt的过程中，截面内部各点依旧存在不均衡的弹性应变，正如bon所展示的那样。因此，梁的形状将持续性地恢复，并在表面以下的一定深度范围内引发压缩应变，如bpc所示。在此阶段，梁内部将呈现出图1.1b中描述的应力分布状态。当梁轴向上的应力总和降至零，且对o点的力矩亦归零，截面便达到了平衡，不再继续变形。此时，截面上的各个点会呈现出正负交替的自平衡应力分布，这种现象即称为残余应力。

分析表明，构件在受到外力作用后，会呈现局部塑性变形，而外力一旦撤销，这些变形便阻碍了截面整体变形的恢复，从而形成了残余应力。此类因局部塑性变形导致的残余应力，在多种加工工艺中普遍存在，例如锻造、切削、冷拔和冷弯等。通常情况下，这种残余应力数值相当可观。

二、温度不均匀引起的残余应力

这种残余应力的形成主要归因于两个方面：首先，温度的不均匀分布导致了局部热塑性变形的产生；其次，相变引发的体积膨胀不均匀，进而造成了局部塑性变形。

1、由于热塑性变形不均而产生的残余应力

金属材料在高温环境中，其性能会出现显著改变，包括屈服强度和弹性模量等指标，都会随着温度的上升而降低。当构件表面温度梯度较大时，屈服强度和弹性模量的分布呈现出不均衡状态，从而使得高温下的热塑性也变得不均匀。

如图1.2所示，展示了材料在各类温度条件下的屈服极限变化趋势。观察图表，我们发现，在0至500℃的温度范围内，材料的屈服极限保持稳定，与常温下的屈服极限σs相当。然而，当温度升至500至600℃区间，材料的屈服极限呈现出线性下降的趋势，并逐渐接近于零。而温度一旦超过600℃，则可近似认为其屈服极限已降至零。

2、因组织改变而产生的残余应力

观察图1.2可以得知，当温度超过600℃时，其应力变化趋势与低温状态下相似。然而，此时材料的屈服强度几乎降至零点，导致热塑性变形现象频发。在变形恢复过程中，所受阻力较之前更大，进而导致残余应力水平上升。尽管如此，产生残余应力的条件并未发生改变。

在高温环境下，一个显著的问题是由相变导致的相变应力。当金属结构发生相变时，其体积会急剧增大。若这种膨胀是均匀的，那么它就如同构件在均匀加热时的膨胀一样，在无约束的状态下不会产生应力。因为构件的组织结构存在不均匀性，以及温度分布的不均等状况，这导致了构件不同部位的相变时间出现差异，进而引起体积膨胀的不一致性。由此，各部分之间产生了相互制约，最终形成了残余应力。

三、构件尺寸公差引起的残余应力

焊接、铆接、螺钉连接过程中，常会遇到公差配合上的问题。比如，在船体分段对接时，需要将钢板紧密对接，这些通过外力拉合形成的结构，一旦外力消失，整个系统便会产生残余应力。此类应力通常被视为结构应力，且大多处于弹性阶段。

总的来说，构件某部分因变形恢复受限而导致的应力残留，是这一现象的根本原因。普遍而言，局部塑性变形的不均匀性是形成残余应力的常见因素。一个构件上残余应力的分布状况，是由多种因素共同作用下的残余应力综合值所决定的，因此其分布呈现出随机性，这给测量和研究工作带来了不小的挑战。

残余应力产生的影响

金属构件，包括铸件、焊接件和锻件，在加工阶段会形成残余应力，其中部分应力水平较高，接近材料的屈服极限。这些残余应力在构件中往往显现出显著的危害性，例如削弱构件的强度、降低其疲劳极限、引发应力腐蚀和脆性断裂。此外，残余应力的释放还会导致构件变形，进而影响尺寸精度。鉴于此，降低并消除构件中的残余应力显得尤为迫切。

1)对屈服极限的影响

若材料存在拉伸残余应力，这便等同于提升了应力-应变曲线的起始点，换言之，它等同于降低了该材料的拉伸屈服强度。至于材料若含有压缩残余应力，则会造成拉伸屈服强度上升，与此同时，压缩屈服强度则会相应下降。

2)对疲劳寿命的影响

构件在遭遇交变应力影响并带有压缩残余应力时，其疲劳抗力会得到增强；相对地，若构件承受拉伸残余应力，其疲劳抗力则会减弱。鉴于此，在实际应用中，人们通常采用表面硬化技术来诱导压缩残余应力的产生，以此有效提升构件的疲劳抗力。

3)对构件变形的影响

构件在受到残余应力作用时，其变形效应主要涉及两个层面：一方面，它关乎构件抵抗静态和动态载荷所引起的变形的能力；另一方面，它还涉及到在荷载被移除后，构件能否有效恢复原状的能力。

4)对脆性破坏的影响

构件在几乎不经历塑性形变时，会突然出现裂缝，这种现象称为脆性破坏。此类破坏最常在温度骤降或变形速度急剧提升的条件下发生。

构件内部存在初始的残余应力，尤其是拉伸方向的残余应力，当它与施加的拉应力叠加时，会加快脆性破坏的发生。

5)对应力腐蚀开裂的影响

试验结果证实，拉应力和腐蚀现象同时出现是引发应力腐蚀不可或缺的前提。拉应力能够促使腐蚀过程加速，这体现了应力对腐蚀的促进作用。同时，残余应力的存在必然伴随着拉伸应力，因此，对于那些需要抵御腐蚀的金属结构而言，残余应力同样扮演着引发应力腐蚀的角色。

针对消除压缩残余应力而言，效果正好相反，能够有效阻止并减少应力腐蚀开裂的发生。在防止应力腐蚀开裂的现场操作中，常见的措施包括表面轧制、喷砂以及氮化处理等，这些方法的共同原理在于通过处理使构件表面形成压缩残余应力。

残余应力在几种典型工况下的产生

一、 铸造应力的产生

(1) 热应力

铸件各部分厚度不一，例如机床床身导轨部分较厚，而侧壁和筋板部分则相对较薄。在铸件冷却过程中，薄壁部分由于冷却速度较快，其收缩幅度较大；相对地，厚壁部分冷却速度较慢，收缩幅度较小。由于薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻挡，导致薄壁部分承受拉力，而厚壁部分则承受压力。由于纵向收缩差异显著，因此产生的拉压应力也相应较大。此刻，铸件温度甚高，其薄厚壁皆进入塑性状态，由此产生的压应力导致厚壁部分逐渐增粗，而拉应力则使薄壁部分逐渐变薄，伴随塑性变形的进行，拉压应力最终消失。

铸件在冷却过程中，薄壁区域率先达到弹性状态，而厚壁区域则仍旧保持塑性状态。此时，由于压应力的作用，厚壁区域发生了塑性变形，进而不断增粗。与此同时，薄壁区域仅发生弹性拉伸，并未产生塑性变形。随着厚壁区域的增粗，拉压应力逐渐消失。随后，铸件持续冷却，当薄厚壁区域均进入弹性区时，由于厚壁区域温度较高，其收缩量较大。然而，薄壁区域阻碍了厚壁区域的收缩，导致薄壁区域承受压应力，而厚壁区域则承受拉应力。应力方向发生了改变，这一变化持续至室温，最终导致在常温条件下，厚壁区域承受拉伸应力，而薄壁区域则承受压缩应力。

这种应力产生于各部件厚度不一、冷却速率各异以及塑性变形分布不均，我们称之为热应力。

在同一截面的导轨或侧壁表面与内部，由于冷却速度不一，形成了相互抵消的拉伸和压缩应力。通过类比之前的分析方法，可以得出在常温条件下，表层承受的是压缩应力，而内部则承受的是拉伸应力。此外，截面尺寸越大，所承受的应力也越显著，这种应力被称作热应力。

(2)相变应力

铸铁中常见的碳含量介于2.8%至3.5%之间，这使其归类为亚共晶铸铁。根据结晶过程的分析，当厚壁部分在1153℃时开始共晶结晶，共晶石墨便开始析出，伴随体积膨胀；然而，薄壁部分会限制这种膨胀。在此过程中，厚壁部分承受的是压力，而薄壁部分则承受的是拉力。由于厚壁部分温度较高，降温速度较快，导致其收缩迅速，因此逐渐转变为拉应力状态；相反，薄壁部分则呈现出相反的趋势。在738℃共析点之前的冷却过程中，薄壁和厚壁都保持在塑性状态，尽管应力持续生成，但它们又不断因塑性变形而得到缓解，因此应力水平并不高。降至738℃时，铸铁经历共析转变，其晶体结构从面心立方转变为体心立方（即γ-Fe转变为α-Fe），并且伴随共析石墨的析出，导致厚壁区域产生压缩应力。这两种应力分别由1153℃和738℃的两次相变产生，被称为相变应力。这种应力与冷却时产生的热应力方向相背，能够被热应力所中和。在共析转变完成之后，相变应力便不再出现，因此，铸件在冷却过程中由于厚度差异导致的冷却速度不同而产生热应力，成为主导因素。

(3)收缩应力(亦叫机械阻碍应力)：

铸件在凝固过程中，由于铸型、型芯、浇冒口等结构的阻碍，会形成一种应力，这种应力被称为收缩应力。由于铸件各部分从塑性状态转变为弹性状态的时间不同，型芯等结构对收缩的抵抗作用会导致铸件内部产生不均匀的塑性变形，进而产生残余应力。通常情况下，收缩应力并不显著，且在脱模后通常会逐渐消失。

二、焊接应力的产生

焊接作业中，焊缝部位的温度急剧上升，导致体积膨胀。而在热影响区域内，温度相对较低，这阻碍了焊缝的膨胀。因此，在焊缝位置产生了压应力，而在热影响区则产生了拉应力。然而，在这个阶段，焊缝仍处于塑性状态，受到压应力的作用，焊缝被压得更加粗大，从而缓解了这种应力。

焊后冷却期间，热影响区域迅速降温，迅速转变为弹性状态；而焊缝部位温度较高，依旧保持在塑性状态。此时，焊缝发生收缩，其收缩速度不及热影响区；焊缝对热影响区的收缩产生了阻碍。尽管焊缝承受着压缩应力，而热影响区则承受着拉伸应力。然而，由于焊缝仍处于塑性状态，其塑性变形得以发生，从而缓解了这种应力。

热影响区的温度持续下降，冷却速率相应减慢。一旦焊缝的冷却速率超过热影响区，焊缝便会迅速收缩。然而，这种收缩受到了热影响区的阻碍，导致应力方向发生改变。此时，焊缝承受的是拉伸应力，而热影响区则承受的是压缩应力。焊缝与热影响区均处于弹性阶段，由于焊缝温度较高且冷却迅速，导致其收缩显著；相对地，热影响区温度较低，冷却较慢，收缩较小。焊缝的收缩受到热影响区的阻碍，从而在焊缝上产生拉伸应力，而在热影响区上则产生压缩应力。在此阶段，尚未出现塑性变形。随着温度的下降，焊缝的收缩受阻程度逐渐加剧，拉伸应力也随之增大，直至达到室温，此时拉伸应力可视为接近材料的屈服极限。

三、淬火产生的残余应力

构件产生残余应力的主要原因是淬火过程中，由于表面与内部存在温差而产生热应力，此外，相变过程中也会引起组织应力。构件最终的残余应力是这两种应力值的总和。

残余应力的分类

残余应力的分类有许多种，如：

根据应力形成的不同根源，可以分为热应力、相变应力以及收缩应力三大类。具体的情况，前文已有详尽的描述。

B、根据应力作用的方向，可以分为拉伸应力，即力的作用方向与物体表面相反的应力；以及压缩应力，即力的作用方向与物体表面一致的应力。

C、按影响区域的大小分有：

这类应力被称为宏观应力。它普遍存在于整个体积或较大尺寸的区域内，并维持着平衡状态。例如，沿着机床床身导轨纵向延伸的拉伸应力，以及沿着侧臂分布的压缩应力等。

第二类应力，又称微观应力，这类应力存在于单个晶粒或数个晶粒之中，且处于平衡状态。以晶粒1、2、3、4、5为例，它们共同处于一个拉应力的应力场中，该应力的大小为σ。根据金属物理学原理，不同晶粒所承受的切应力与取向因子之间存在正比关系。若晶粒1的取向因子达到最大值，则其切应力也将达到最大。当这种切应力略微超过临界内应力时，晶粒1将发生塑性变形。其余各晶粒处于弹性状态。

应力σ被消除后，晶粒2、3、4、5均能恢复至初始状态，然而晶粒1却出现了塑性变形，无法恢复至原状，进而影响了2、3、4、5晶粒的恢复，导致晶粒1承受了压缩应力。与此同时，其他晶粒则承受了拉伸应力。这种在多个晶粒之间形成并维持平衡的应力状态，被称作第二类残余应力。

第三类应力，通常被称作超微观应力，这种应力存在于若干个原子或数千个原子之间，且能维持一种平衡状态。举例来说，这种应力可以体现在间隙原子与溶剂原子之间的相互作用中。

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，亦称作残留应力或内应力，指的是在应力产生条件已经消失的情况下，工件内部不同部位依然存在的应力。这类应力包括但不限于热应力、相变内应力以及收缩应力等。

综合来看，铸造、锻造以及焊接等工艺过程不可避免地会形成残余应力。在焊缝的纵向方向上，焊件分布着接近屈服点的拉伸应力。相比之下，铸铁件由于石墨尖端的应力松弛，其残余应力并不显著，具体的数据和范围可以参考表一。

残余应力的检测

检测残余应力的手段众多，依据其检测流程中是否会对被测构件造成损害，可划分为机械检测技术及无损检测技术两大类。

机械测量法的核心在于，通过将带有残余应力的部件从整体结构中分离或进行切割处理，从而实现应力的释放。随后，通过测量应变的变化情况，进而计算出残余应力的数值。

该技术对工件可能产生一定的损害或损伤，然而，其测量的准确性较高，并且技术本身已经相对成熟。

常见的机械测量技术包括钻孔技术、环芯技术、深孔技术、剥层技术以及切条技术等多种方法。

无损检测技术基于声波、光波、磁性和电学等特性，旨在在不破坏或不影响被测物体的使用性能的情况下，对物体内部的残余应力进行精确的测定。

常见的无损检测技术包括磁检测技术、X射线衍射检测技术、超声波检测技术以及压痕应变检测技术等。