表面残余应力

1、表面残余应力 胡宏宇（浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310032） 摘要：残余应力主要是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。各种工程材料和构件在毛坯的制备、零件的加工、热处理和装配的过程中都会产生不同程度的残余应力。残余应力因其直观性差和不易检测等因素往往被人们忽视。残余应力严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度和腐蚀开裂。特别是在承力件和转动件上，残余应力的存在易导致突发性破坏且后果往往十分严重。因此，研究残余应力的产生机理、检测手段、消除方法以及残余应力对构件的影响 Rossini R S，Dassisti M，Benyounis KYet a1Methods of

2、measuring residual stresses in componentsMaterials and Design，2012，35 ：572-588。关键词：残余应力；切削变形；磁测法；喷丸强化；Surface residual stress（School of mechanical engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）Abstract：Residual stress is mainly caused by the uneven plastic deformation of compon

3、ent. All kinds of engineering materials in the preparation of blank, parts and components processing, heat treatment and assembly process will produce different degree of residual stress. Residual stress because of its intuitive factors such as poor and difficult to detect is often neglected. Seriou

4、sly affect the residual stress of component machining precision and dimension stability, static strength, fatigue strength and corrosion cracking. Especially on the bearing and rotating parts, the existence of the residual stress can lead to sudden destruction and the consequences are often very ser

5、ious. Therefore, to study the mechanism of residual stress, detection means, elimination method and the influence of residual stress of components。Key words：Residual stress；machiningdeflection；magnetic method；Shot peening strengthening；前言 随着现代制造技术的发展，大飞机、高铁、核设施等大型设备相继出现；这些设备具有高速、重载和长时间运行的特点，其零部件工作环境

6、恶劣、复杂，且往往对安全性有着极其苛刻的要求，因而对这些设备的关键部件，如轴承、曲轴、传动轴的疲劳寿命和可靠性也有很高的要求，对它们的疲劳寿命预测和分析成为研究的重点 金属切削加工是一个伴随着高温、高压、高应率的塑性大变形过程, 在已加工表面上存在着相当大的残余应力; 同时又由于切削过程切削力和切削热作用及刀具与工件的摩擦等综合因素的影响, 使得零件内部初始的残余应力重新分布并与表面层残余应力耦合作用形成新的残余应力分布规律。残余应力以平衡状态存在于物体内部, 是固有应力域中局部内应力的一种。残余应力是一种不稳定的应力状态, 当物体受到外力作用时, 作用应力与残余应力相互作用, 使其某些局部呈

7、现塑性变形, 截面内应力重新分配; 当外力作用去除后, 整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。根据理论分析和实验研究的结果，工件的疲劳寿命和加工表面的残余应力状态有重要的关系：残余压应力能抑制工件的疲劳破坏，延长疲劳寿命；残余拉应力则相反，会加速疲劳破坏的出现 桂寿平，黄培彦，何秋港口起重机疲劳破坏成因与修复措施探讨J华南理工大学学报：自然科学版，2001，22(2)：29-32因此，了解和控制工件已加工表面的残余应力，使零件已加工表面呈现稳定而较大的压应力状态，已成为加工出高质量和高可靠性零件的关键1 残余应力的定义 1.1 残余应力的定义 构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作

8、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。 残余应力是指在没有外力作用于物体时，物体内部保持平衡的应力。在没有外力的作用下，物体内部保持平衡的应力称为固有应力，残余应力是固有应力的一种 米谷茂残余应力的参数和对策朱荆璞，邵会孟，译北京：机械工业出版社，1983。1.2 残余应力的分类 残余应力的存在状态是多种多样的, 随材

9、料的性能、产生条件不同而不同, 分类的方法也不一致。1925 年格·马辛、Mura T、达维金科夫H.H 分别提出了残余应力的界定方法。根据残余应力的相互影响范围大小可将残余应力分为宏观残余应力(Macrresidual stress) 和微观残余应力(Micro residualstress) 。1973 年德国学者E.Macherauch 又将宏观残余应力称为第一类残余应力, 将微观残余应力划归为第二类、第三类残余应力。第一类残余应力称为宏观残余应力它在材料较大范围内或许多晶粒范围内存在并保持平衡, 在多个连续晶体范围内保持常数, 它的大小、方向和性质可用切削加工表面残余应力研究

10、的现状与进展通常的物理或机械方法进行测量。如果第一类残余应力所产生的力或力矩的平衡状态遭到破坏, 将导致构件宏观尺寸的变化。通常由于切削加工产生的残余应力是指宏观残余应力。根据加工残余应力的性质不同, 可分为残余拉应力和残余压应力, 应力的大小随表层的深度而变化。第二类残余应力称为微观结构应力( Structurasstress) , 它存在于晶粒尺度内并且保持平衡, 在一个或几个晶粒的部分范围内保持均匀。如果第二类残余应力平衡状态得到改变, 也会造成宏观尺寸的变化。第三类残余应力称晶内亚结构应力( Substructural stress) 标记为r它是在晶粒若干个原子范围内存在并在晶粒的小

11、部分内保持平衡,在晶体亚结构范围内大小不均匀。第三类残余应力平衡状态的破坏, 不会引起宏观尺寸的变化。在大多数情况下, 宏观残余应力与微观残余应力总是同时存在的, 产生第一类残余应力的加工过程必须伴随第二、第三类残余应力的产生。2 切屑形成过程及变形区的划分 2.1切削变形 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 2.2变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的

12、形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。 图1 切削变形区 2.3切屑的形成及变形特点 第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区） 金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。 第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区） 内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑

13、要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。 第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。 图2 切削过程2 切削加工表面残余应力的产生机理目前, 关于残余应力的产生机理, 从理论上定量分析还存在困难。下面仅从已加工表面形成过程的角度分析残余应力的产生机理。 （1）机械应力引起的残余应力 工件装夹时, 如果夹紧力过大, 将会使工件

14、发生塑性变形, 从而使工件产生残余应力。切削过程中,刀刃前方的工件材料受到前刀面的挤压, 从而使将成为已加工表面层的金属, 在切削方向产生压缩的塑性变形; 而在与已加工表面垂直方向产生拉伸塑性变形; 切削后受到与之连成一体的里层未变形金属的牵制, 从而产生残余应力。在已加工表面形成过程中, 刀具的后刀面与已加工表面产生很大的挤压和摩擦, 使表层金属产生拉伸塑性变形, 刀具离开后, 里层金属的弹性变形趋向恢复, 但受到表层金属的牵制,因而也产生残余应力。 （2）热应力引起的残余应力切削时, 由于强烈的塑性变形与摩擦, 使已加工表面层的温度很高; 而里层温度很低, 形成不均匀的温度分布, 因此,

15、当热应力超过材料的屈服极限时,将使表层金属产生压缩变形, 切削后冷却至室温时,表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制, 因而产生残余应力。 （3）相变引起的残余应力切削时, 若表层温度大于相变温度, 则表层组织可能发生相变, 由于各种金相组织的体积不同, 从而产生残余应力。在切削过程中, 引起不均匀塑性变形的机械应力和热应力是同时存在的, 所以残余应力的计算是一个热- 力耦合的热弹塑性问题。3 影响切削残余应力的因素 工件已加工表面残余应力的性质和大小受很多因素的影响。掌握这些因素的影响规律并合理选择，对于降低残余应力和优化切削过程是很有必要的。 3.1工件材料的影响 工件材料本身状态及其物理

16、机械性能对加工表面残余应力产生直接影响。实验表明：塑性好的材料切削加工后通常产生残余拉应力；塑性差的材料则产生残余压应力。根据工件材料的具体初始应力状态，切削加工可能使工件内残余应力值“增大”或“减小” 周泽华主编金属切削原理(第二版)上海：上海科学技术出版社，1993。 3.2切削参数的影响 切削速度的影响一般是通过“温度因素”来进行的 蔡在檀金属切削原理上海：同济大学出版社，1994。切削速度较低时，易产生残余拉应力；切削速度较高时，由于切削温度升高，易产生残余压应力。增加进给量和切削深度时，被切削层金属的截面及体积增大，使刀刃前的塑性变形区和变形程度增加；如果此时切削速度较高，则温度因素

17、的影响也有所加强，因此表面残余拉应力将增加，其达到的深度也增大。 3.3刀具参数的影响 当增大刀具的前角、后角，减小刀尖的圆弧半径和切削刃的钝圆半径时，残余应力减小，其达到的深度也减小。Robert D Halverstadt特别强调，刀具的锋利性、后刀面的磨损或钝圆半径对残余应力的影响很大，其次是刀具前角 Robert D HalverstadtHow to minimize and structural phenomena of high-s ngth steel surface duetoEMD and ball-dropform-ingCIRP，1988，31(1)：531536。4.

18、残余应力的检测4 . 1盲孔法残余应力测量它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔 ，以去除一部分具有应力的金属，而使圆 孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新 的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变 量，就可以计算原应力场的应力值。 残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测

19、量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。 图3 ZS21B型盲孔法残余应力检测仪4 .2切槽法这种方法就是在构件上进行切槽, 由于切槽而形成残余应力的释放区, 用应变花测定此部分的应变求出残余应力的方法。此处假定由于切槽而形成的彼此孤立的部分内残余应力是均匀一致的, 并且认为沟槽所包围的部分内, 其残余应力完全被释放,常用的有Gunnert 法和Kunz 法。4 .3压痕法在工件待测点中心放置轴承钢球, 通过冲击或静压的方法施加一定的冲击功或静压力, 使其在工件表面产生球冠形压痕, 在压痕周围产生一定的叠加应力并形成一定的应变, 该应变值由压痕周围的应变花测

20、得。它对工件所造成的破坏小, 测量方便、迅速、标距小, 适于应力梯度变化大的场合。4 .4 磁测法残余应力测量 磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。众所周知，铁磁材料具有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流(或电压)值来反映应力值的变化，并通过装有特定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。 图4 型磁测法

21、残余应力检测仪 4 .5 X射线衍射法残余应力测量在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟，方法完善，经历了七十余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果。X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项附加的功能测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的角、角进行测试,以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。图5X射线衍射5 残余应力的消除方法 残余应力的存在会严重影响零件的加工精度、使用性能以及使用寿命。因此，必须采取相应的工艺来降低或消除不良的残余应力。在切削

22、加工后采取一些处理措施，也可对已加工表面的残余应力进行调整，表面强化处理就是目前较常用的方法之一。表面强化处理工艺是通过对工件表面的冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提高其表面硬度、强度，并形成表面残余压应力的加工工艺。常用的表面强化工艺有喷丸强化和滚压强化。 （1）喷丸强化 喷丸强化是利用大量高速运动中的珠丸冲击工件表面，使打击处发生塑性变形和塑性流动，表面产生冷硬层和残余压应力。珠丸大多采用钢丸，利用压缩空气或离心力进行喷射 这种方法适用于不规则表面和形状复杂的表面，如弹簧、连杆等的强化。 图 齿轮喷丸 图 数控喷丸设备 （2）滚压强化 滚压强化是用可自由旋转的滚子对工件表面均匀地加力挤压，

23、使表面得到强化并在表面形成残余压应力，适用于规则表面如外圆、孔和平面等的强化加工，可在原机床上加装滚压工具进行。此外，采用退火处理、振动时效等人工时效方法，也可松弛表面层的残余应力。 （3）预应力切削 预应力切削是一种通过切削工艺使机械零件加工表面产生残余压应力的方法 胡华南，周泽华，陈澄洲 预应力加工表面残余应力的理论分析J华南理工大学学报：自然科学版，194，22(2)：1 9，即切削前预先给工件施加一个弹性范围内的预应力，切削过程中工件加工表面会产生塑性变形，切削后释放该预应力，由于基体的弹性恢复，已加工表面会产生残余压应力。预应力切削只需通过切削加工就能使加工表面产生残余压应力，且不需

24、要昂贵的设备，亦不会引起额外的加工表面硬化，因此其发展前景良好。叶邦彦、彭锐涛 叶邦彦，彭锐涛，等预应力硬态切削的残余应力及表面形态J华南理工大学学报：自然科学版，2OO8，36(4)：6 9等人采用预应力切削法对轴承套圈进行硬态切削，深入研究了预应力硬态切方法对套圈已加工表面的残余应力、表面粗糙度以及表面形态等参数的影响，结果表明，该方法可以在轴承套圈加工表面获得合适的残余压应力状态和良好的表面质量。 除此以外，保证零件结构设计合理，尽量避免尖角和壁厚不均等结构；优化加工工艺路线并在每个工艺选择合理的加工参数，降低零件在每个加工工序中产生的残余应力，同时通过合理的加工工艺的配合来降低残余应力。自然时效处理，把工件在室内或室外放置一段时间，在昼夜温差和复杂的“环境振荡”的作用下工件内部的原子发生微观位移和促进工件在宏观意义下的塑性变形，从而达到降低残余应力的目的。这种方法需要的时间较长，且消除残余应力的能力有限。 人工时效处理 ，最常见的人工时效处理是时效退火。由于材料的屈服强度会随着温