残余应力的产生

1、 HYPERLINK /gongyi/574.htm残余应力的的产生第一章 残余应应力的产产生残余应力是是指在没没有对物物体施加加外力时时，物体体内部存存在的保保持自相相平衡的的应力系系统。它它是固有有应力或或内应力力的一种种。产生残余应应力的机机理： 各种机机械加工工工艺如如铸造、切切削、焊焊接、热热处理、装装配等都都会产生生不同程程度残余余应力。下下面用力力学模型型分析残残余应力力产生的的原因。一、机械加加工引起起的残余余应力 这这是金属属构件在在加工中中最易产产生的残残余应力力。当施施加外力力时，物物体的一一部分出出现塑性性变形，卸卸载后，塑塑性变形形部分，限限制了与与其相邻邻部分变变形

2、的恢恢复，因因而出现现了残余余应力。如如图1.11a所示，当当一均匀匀梁受纯纯弯曲且且上下表表面进入入塑性时时，沿横横截面各各层上的的应变分分布如aa线所示示。其中中mn部分产产生了塑塑性变形形，而no部分仍仍处于弹弹性状态态。当外外力去除除时梁的的变形得得到恢复复，各点点的应变变也得到到释放，但但梁的上上表面m点深至n点这一一层内已已产生塑塑性变形形，设上上表面m点的塑塑性应变变为t，则当当截面mm各点的的应变恢恢复到折折线bnoonbb时，整整个截面面内将不不存在应应力。但但实际上上梁截面面内应变变分布是是以中性性层为坐坐标原点点的线性性分布，所所以当上上表面的的应变值值从a降至t时，截截

3、面内各各点仍有有不平衡衡的弹性性应变如如bon所示。因因此梁的的变形将将继续恢恢复，并并使表面面往下某某一深度度内产生生压缩应应变如bpc所示。这这时梁内内出现了了如图1.11b所示的的应力分分布。直直到所有有的应力力在梁轴轴向总和和为零且且对o点的力力矩为0时，截截面处于于平衡状状态而不不再发生生变形。这这时沿截截面各点点出现了了正负相相间的自自相平衡衡的应力力系统，这这就是残残余应力力。上述分析可可见，构构件在外外力作用用下出现现局部的的塑性变变形，当当外力去去除时，这这些局部部的塑性性变形限限制了整整个截面面变形的的恢复，因因此产生生了残余余应力。这这种由局局部塑性性变形引引起的残残余应

4、力力，在很很多加工工工艺中中均会出出现，如如锻压、切切削、冷冷拔、冷冷弯等等等。这种种残余应应力往往往是很大大的。二、温度不不均匀引引起的残残余应力力这种残余应应力的产产生主要要有以下下两种原原因：第第一是由由于温度度不均匀匀造成局局部热塑塑性变形形；第二二是由于于相变引引起的体体积膨胀胀不均匀匀造成局局部塑性性变形。1、于热塑塑性变形形不均而而产生的的残余应应力；金属材料在在高温下下其性能能将发生生很大的的变化，如如屈服极极限、弹弹性模量量等都随随温度的的升高而而下降。如如果构件件上温度度场的温温度阶梯梯较大，则则屈服极极限和弹弹性模量量的分布布也是不不均匀的的，因此此在高温温下出现现的热塑

5、塑性也是是不均匀匀的。如如图1.2所示，是是材料在在不同温温度下的的屈服极极限的变变化曲线线。从图图中可以以看出，材材料在0500阶段的的屈服极极限基本本不变，等等于常温温时的屈屈服极限限s 。当温温度在500600阶段时时，材料料的屈服服极限成成线形下下降至接接近于零零。当温温度超过过600以后，可可以认为为屈服极极限为零零。2、因组织织改变而而产生的的残余应应力从图1.22中可见见，如果果温度大大于600，其应应力变化化与低温温时是相相似的。但但由于这这时材料料的屈服服极限接接近于零零。因此此很容易易出现热热塑性变变形。变变形恢复复时受的的阻力也也比前者者大，所所以残余余应力也也较大，但但

6、产生残残余应力力的条件件是不变变的。高高温中的的另一个个问题就就是由相相变引起起的相变变应力。金金属的组组织发生生相变时时，会出出现体积积的突然然膨胀。如如果这种种膨胀是是均匀的的，则如如同构件件均匀热热膨胀一一样，没没有约束束的情况况下不产产生应力力。但是是由于构构件的组组织成分分不均匀匀，温度度分布不不均匀等等等原因因，造成成构件各各部分相相变时间间不同，体体积膨胀胀不均匀匀，因此此使各部部分间出出现互相相约束而而产生了了残余应应力。三、构件尺尺寸公差差引起的的残余应应力在焊接、铆铆接、螺螺钉连接接时往往往有公差差配合问问题。如如船体分分段对接接时必须须将对接接钢板拉拉到一起起，这些些由外

7、力力拉到一一起而组组合的结结构，当当外力去去除后，整整个系统统就出现现了残余余应力。这这种应力力一般来来说属于于结构应应力，大大多数情情况下处处于弹性性状态。总之，残余余应力的的产生是是由于构构件某一一部分的的变形恢恢复受到到约束而而造成的的。局部部不均匀匀的塑性性变形的的出现，是是产生残残余应力力的普遍遍原因。一一个构件件上残余余应力的的分布状状态是由由各种原原因产生生的残余余应力的的综合值值来决定定的，因因此它的的分布规规律是随随机的，给给测量和和研究带带来较大大的困难难。残余应力的的影响金属构件（铸铸件、焊焊接件、锻锻件），在在加工过过程中，产产生残余余应力，高高者在屈屈服极限限附近。构

8、构件中的的残余应应力大多多数表现现出很大大的危害害作用；如使构构件的强强度降低低、降低低工件疲疲劳极限限、造成成应力腐腐蚀和脆脆性断裂裂，由于于残余应应力的松松弛，使使构件产产生变形形，影响响了构件件的尺寸寸精度。因因此降低低和消除除构件的的残余应应力，就就显得十十分必要要。1、对金属属材料屈屈服极限限的影响响图1.3为为金属材材料的应应力-应变曲曲线示意意图。如果材料具具有拉伸伸残余应应力，如如图中t,则相当当于提高高了应力力-应变曲曲线的坐坐标原点点，而改改为o-o坐标。即即相当于于降低了了材料的的拉伸屈屈服极限限。即：=s-t而相应提高高了压缩缩屈服极极限。 即：ts=-（s+t）如果材

9、料具具有压缩缩残余应应力的情情况，就就如同图图1.3中坐标标-o所描述述的那样样：使拉拉伸屈服服极限提提高，而而压缩屈屈服极限限降低。我们必须在在考虑构构件强度度性能要要求的基基础上来来评定这这些影响响的好坏坏。一般般来说，设设计者不不希望构构件内具具有拉伸伸残余应应力，但但假若构构件内具具有压缩缩残余应应力，则则可提高高构件的的疲劳寿寿命。这这正象预预压力钢钢筋混凝凝土梁可可以提高高构件的的使用强强度一样样。因此此，对残残余应力力所造成成的屈服服极限的的变化，要要根据设设计者的的要求使使用极限限强度来来加以衡衡量。2、残余应应力对疲疲劳寿命命的影响响人们很早就就知道，当当受到交交变应力力的构

10、件件存在压压缩残余余应力时时，该构构件的疲疲劳强度度会有所所提高，而而存在拉拉伸残余余应力时时，其疲疲劳强度度会有所所下降。因因此在实实际应用用中往往往通过表表面硬化化处理产产生压缩缩残余应应力，从从而有效效地提高高疲劳强强度。但但是很多多情况下下，构件件表面存存在的是是拉伸残残余应力力，人们们首先考考虑的是是如何来来改变这这种应力力分布以以提高疲疲劳寿命命，这就就是调整整残余应应力问题题，这与与考虑残残余应力力对变形形的影响响是不相相同的，后后者考虑虑的是如如何降低低和消除除残余应应力以保保证构件件变形的的稳定性性。实际上，残残余应力力对疲劳劳的影响响因条件件和环境境的不同同而改变变。它与与

11、残余应应力分布布规律和和量值、材材料的弹弹性性能能、外来来作用的的状态等等因素有有关。当当我们研研究残余余应力对对疲劳的的影响时时既要考考虑宏观观残余应应力的影影响，也也要考虑虑微观残残余应力力的影响响。可以以认为，宏宏观残余余应力在在初期暂暂时与作作用的交交变应力力叠加，改改变应力力水平，较较大地影影响着疲疲劳寿命命。而由由微观组组织不均均匀性所所造成的的残余应应力，在在应力交交变过程程中，会会使微观观区域内内的塑性性变形积积累，这这些影响响比起对对静强度度的影响响来说，在在实际上上更为重重要。图1.4所所示的是是对厚度度3mm的薄板板进行喷喷丸强化化和形变变强化使使之表面面出现压压缩残余余

12、应力，并并通过对对不同量量值的残残余应力力试件进进行脉动动弯曲疲疲劳极限限的测定定得出的的残余应应力与疲疲劳极限限间的关关系。从从图中可可以看出出，外表表面最高高的残余余应力与与疲劳极极限间的的关系极极为明显显。用热处理方方法使表表面产生生压缩残残余应力力也是对对疲劳强强度影响响的实例例，图1.5是把圆圆棒在600时急冷冷，使表表面产生生压缩残残余应力力。电镀处理的的残余应应力由于于工艺电电流、电电镀液种种类、温温度等的的不同，使使其分布布和量值值的差异异很大，因因此电镀镀残余应应力对疲疲劳强度度的影响响变化也也很大。多多数金属属在电镀镀后表面面产生拉拉伸残余余应力，因因此将大大大降低低疲劳强

13、强度。残余应力对对疲劳强强度的影影响是复复杂的。由由于在交交变应力力作用下下残余应应力将会会发生很很大的变变化，所所以研究究残余应应力与疲疲劳强度度之间的的关系是是比较困困难的。但但其影响响规律，通通过实验验还是可可以找到到的。3、残余应应力对构构件变形形的影响响残余应力是是一个不不稳定的的应力状状态。当当构件受受到外力力作用时时，作用用应力与与残余应应力的相相互作用用，使某某些局部部呈现塑塑性变形形，截面面内应力力重新分分配，当当外力作作用去除除时整个个构件将将要发生生变形。所所以残余余应力明明显地影影响着加加工后的的构件精精度。这这也是机机械加工工和工程程部门最最关心的的问题之之一。实践已

14、证明明，具有有表面拉拉伸残余余应力的的构件其其变形稳稳定性远远远不如如具有表表面压缩缩残余应应力的构构件变形形稳定性性好。残余应力对对构件变变形的影影响包括括两个方方面，一一是构件件抗静、动动载荷的的变形能能力，另另一方面面是荷载载卸除后后变形的的恢复能能力。残残余应力力在这两两个方面面对构件件的影响响是很大大的，因因此人们们一直在在研究消消除这些些影响的的有效办办法。4、残余应应力对金金属脆性性破坏的的影响脆性破坏是是构件在在几乎不不存在塑塑性变形形的情况况下突然然开裂。它它在温度度突然下下降或变变形速度度突然增增大的情情况下，最最容易发发生。这这时塑性性变形处处于抑制制状态，如如再突然然受

15、到较较大的作作用应力力等原因因，就易易于发生生脆性断断裂破坏坏。残余余应力是是作为初初始应力力存在于于构件内内，特别别是拉伸伸残余应应力与作作用拉应应力叠加加而加速速了脆性性破坏。下面我们做做个实验验：把长长度91ccm、宽76ccm、厚为2cm的软钢钢板对焊焊起来。在在焊缝处处沿接合合方向的的残余应应力是接接近于焊焊接金属属屈服极极限的拉拉应力。将将焊好的的试件一一部分做做退火处处理以消消除残余余应力，再再与未经经处理的的试件一一起放在在-13下冷却却，结果果发现经经处理的的试件未未出现裂裂纹，而而没经退退火处理理的试件件即使无无外力作作用下也也出现了了脆性裂裂纹。分分析其原原因是在在温度的

16、的快速下下降时，材材料塑性性下降所所引起的的脆性破破坏。残残余应力力的脆性性破坏在在焊接件件中最易易发生。某某重型汽汽车厂生生产的车车架由于于焊接裂裂纹而大大批报废废。某造造船厂铸铸造的十十几吨重重的大型型链轮箱箱，因开开箱温度度过高而而室温较较低，箱箱体交角角处从上上至下出出现断裂裂裂纹，裂裂纹速度度发展较较快。这这些都说说明在无无外力作作用下产产生脆性性破坏完完全是残残余应力力引起的的。5、残余应应力对应应力腐蚀蚀开裂的的影响金属与周围围介质的的接触而而产生化化学作用用所引起起的破坏坏称做腐腐蚀。如如果在发发生腐蚀蚀的同时时还有应应力的作作用，则则会加速速腐蚀破破坏，这这就是应应力腐蚀蚀开

17、裂。它它的特点点是：一一是拉应应力与腐腐蚀共存存。二是是由于材材料成分分和组织织不同、介介质不同同等，对对应力腐腐蚀的敏敏感性也也不同。有有时在不不发生腐腐蚀的介介质中，有有些金属属在应力力作用下下也发生生应力腐腐蚀现象象。三是是在应力力腐蚀开开裂过程程中，首首先出现现点蚀，再再逐步扩扩展成裂裂纹，裂裂纹的扩扩展主要要是沿着着最大主主应力垂垂直的方方向进行行，在微微观上是是沿着材材料晶界界或穿过过晶粒进进行。试验证明，拉拉应力和和腐蚀共共存是应应力腐蚀蚀的必要要条件。拉拉应力使使腐蚀破破坏加速速，这是是应力对对腐蚀的的作用。而而残余应应力的存存在则必必有拉伸伸应力，因因此对于于承受腐腐蚀的金金

18、属构件件来说，残残余应力力也起到到了应力力腐蚀的的作用。对对于压缩缩残余应应力则恰恰恰相反反，可以以防止和和减低应应力腐蚀蚀开裂现现象。防防止应力力腐蚀开开裂的现现场措施施有表面面压延、喷喷丸和氮氮化处理理等，其其原理都都是使构构件表面面产生压压缩残余余应力。残余应力在在几种典典型工况况下的产产生1、 铸造造应力的的产生：（1）热应应力由于铸件各各部分的的薄厚不不一样（如如机床床床身导轨轨部分很很厚，侧侧壁.筋板部部分较薄薄），铸铸后，薄薄壁部分分冷却速速度快收收缩大，而而厚壁部部分，冷冷却速度度慢，收收缩小。薄薄壁部分分的收缩缩受到厚厚壁部分分的阻碍碍，所以以薄壁部部分受拉拉力，厚厚壁部分分

19、受压力力。因纵纵向收缩缩差大，因因而产生生的拉压压应力也也大。这这时铸件件的温度度高，薄薄厚壁都都处于塑塑性状态态，其压压应力使使厚壁部部分变粗粗，拉应应力使薄薄壁部分分变薄，拉拉压应力力随塑性性变形而而消失。铸件逐渐冷冷却，当当薄壁部部分进入入弹性状状态而厚厚壁部分分仍处于于塑性时时，压应应力使厚厚壁部分分产生塑塑性变形形，继续续变粗，而而薄壁部部分只是是弹性拉拉长，这这时拉压压应力随随厚壁部部分变粗粗而消失失。铸件件仍继续续冷却，当当薄厚壁壁部分进进入弹性性区时，由由于厚壁壁部分温温度高，收收缩量大大。但薄薄壁部分分阻止厚厚壁部分分收缩，故故薄壁受受压应力力，厚壁壁受拉应应力。应应力方向向

20、发生了了变化。这这种作用用一直持持续到室室温，结结果在常常温下厚厚壁部分分受拉应应力，薄薄壁部分分受压应应力。这个应力是是由于各各部分薄薄厚不同同。冷却却速度不不同，塑塑性变形形不均匀匀而产生生的，叫叫热应力力。在导轨或侧侧壁的同同一个截截面内，表表层与内内心部，由由于冷却却快慢不不同，也也产生相相互平衡衡的拉压压应力，用用类似与与上述方方法分析析，可知知在室温温下表层层受压应应力，心心部受拉拉应力，并并且截面面越大，应应力越大大，此应应力也叫叫热应力力。（2）相变变应力常用的铸铁铁含碳量量在2.88-3.5%，属于于亚共晶晶铸铁，由由结晶过过程可知知：厚壁壁部分在在11553共晶结结晶时，析

21、析出共晶晶石墨，产产生体积积膨胀 ，薄壁壁部分阻阻碍其膨膨胀，厚厚壁部分分受压应应力，薄薄壁部分分受拉应应力。厚厚壁部分分因温度度高，降降温速度度快，收收缩快，所所以厚壁壁逐渐变变为受拉拉应力。而而薄壁与与其相反反。在共共析（738）前的的收缩中中，薄厚厚壁均处处于朔形形状态，应应力虽然然不段产产生，但但又不断断被塑性性变性所所松弛，应应力并不不大。当当降到738时，铸铸铁发生生共析转转变，由由面心立立方结构构变为体体心立方方结构（既Fe变为a Fe），比容由。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入产生压应力。上述的两种应力，是在1153 和738 两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程

22、中产生的热应力方向相反，相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不在产生相变应力，因此铸件由于薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。（3）收缩缩应力（亦亦叫机械械阻碍应应力）：铸件在在固态收收缩时，因因受到铸铸型、型型芯、浇浇冒口等等的阻碍碍作用而而产生的的应力叫叫收缩应应力。由由于各部部分由塑塑性到弹弹性状态态转变有有先有后后，型芯芯等对收收缩的阻阻力将在在铸件内内造成不不均匀的的的塑性性变形，产产生残余余应力。收收缩应力力一般不不大，多多在打箱箱后消失失。2、焊接应应力的产产生：焊接中.焊焊缝处温温度迅速速升高，体体积膨胀胀。热影影响区温温度低，阻阻碍焊缝缝膨胀，结结果焊缝缝处产生生压应

23、力力，热影影响区产产生拉应应力。但但此时焊焊缝处于于塑性状状态，焊焊缝被压压应力墩墩粗，松松弛了此此应力。 焊焊后冷却却时，热热影响区区冷却速速度快，很很快进入入弹性状状态，焊焊缝处温温度高，处处于塑性性状态。这这时焊缝缝收缩，较较热影响响区收缩缩慢，焊焊缝阻碍碍热影响响区收缩缩，焊缝缝仍受压压应力，影影响区受受拉应力力。但焊焊缝处于于塑性状状态，焊焊缝的塑塑性墩粗粗，松弛弛了此应应力。热影响区温温度不断断降低，冷冷却速度度也变慢慢，当焊焊缝的冷冷却速度度高于热热影响区区时，焊焊缝收缩缩较快，焊焊缝的收收缩受到到热影响响区阻碍碍，应力力方向发发生了转转变，焊焊缝受拉拉应力，热热影响区区受压应应

24、力。当当焊缝和和热影响响区都进进入弹性性状态时时，因焊焊缝温度度高，冷冷却速度度快，收收缩量大大，热影影响区温温度低，冷冷却速度度低，收收缩量小小，焊缝缝收缩受受到热影影响区阻阻碍，结结果焊缝缝受拉应应力，热热影响区区受压应应力。此此时没有有塑性变变形，这这一对压压应力，随随着温度度的降低低，焊缝缝收缩受受阻碍越越来越大大，拉应应力也越越来越大大，直至至室温，拉拉应力可可近似于于屈服极极限。3、淬火产产生的残残余应力力淬火工艺使使构件产产生残余余应力的的主要原原因，是是淬火件件外表和和心部的的温差而而造成的的热应力力，其次次是由于于相变而而产生的的组织应应力。构构件最终终的残余余应力将将是这两两种应力力的综合合值。残余应力的的分类残余应力的的分类有有许多种种，如：A、按应力力产生的的原因，有有热应力力.相变应应力.收缩应应力。详详细内容容如上所所述。B、按应力力方向分分有拉应应力（力力的方向向向背的的应力），压压应力