表面残余应力总结

表面节余应力总结表面节余应力总结表面节余应力总结表面节余应力胡宏宇（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310032）大纲：节余应力主若是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。各种工程资料和构件在毛坯的制备、部件的加工、热办理和装置的过程中都会产生不同样程度的节余应力。节余应力因其直观性差和不易检测等因素经常被人们忽视。节余应力严重影响构件的加工精度和尺寸牢固性、静强度、疲倦强度和腐化开裂。特别是在承力件和转动件上，节余应力的存在易以致突发性破坏且结果经常十分严重。所以，研究节余应力的产活力理、检测手段、除掉方法以及节余应力对构件的影响[1]。重点词：节余应力；切削变形；磁测法；喷丸加强；Surfaceresidualstress（Schoolofmechanicalengineering，ZhejiangUniversityofTechnology，Hangzhou310032，China）Abstract：Residualstressismainlycausedbytheunevenplasticdeformationofcomponent.Allkindsofengineeringmaterialsinthepreparationofblank,partsandcomponentsprocessing,heattreatmentandassemblyprocesswillproducedifferentdegreeofresidualstress.Residualstressbecauseofitsintuitivefactorssuchaspooranddifficulttodetectisoftenneglected.Seriouslyaffecttheresidualstressofcomponentmachiningprecisionanddimensionstability,staticstrength,fatiguestrengthandcorrosioncracking.Especiallyonthebearingandrotatingparts,theexistenceoftheresidualstresscanleadtosuddendestructionandtheconsequencesareoftenveryserious.Therefore,tostudythemechanismofresidualstress,detectionmeans,eliminationmethodandtheinfluenceofresidualstressofcomponents。Keywords：Residualstress；machiningdeflection；magneticmethod；Shotpeeningstrengthening；前言随着现代制造技术的发展，大飞机、高铁、核设施等大型设施接踵出现；这些设施拥有高速、重载和长时间运行的特点，其零部件工作环境恶劣、复杂，且经常对安全性有着极其苛刻的要求，所以对这些设施的重点部件，如轴承、曲轴、传动轴的疲倦寿命和可靠性也有很高的要求，对它们的疲倦寿命展望和解析成为研究的重点．金属切削加工是一个陪同着高温、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节余应力;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节余应力重新分布并与表面层节余应力耦合作用形成新的节余应力分布规律。节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。节余应力是一种不牢固的应力状态,当物体碰到外力作用时,作用应力与节余应力相互作用,使其某些局部表现塑性变形,截面内应力重新分配;当外力作用去除后,整个物体由于内部节余应力的作用将发生形变。依照理论解析和实验研究的结果，工件的疲倦寿命和加工表面的节余应力状态有重要的关系：节余压应力能控制工件的疲倦破坏，延长疲倦寿命；节余拉应力则相反，会加速疲倦破坏的出现

[2]．所以，认识和控制工件已加工表面的节余应力，使部件已加工表面表现牢固而较大的压应力状态，已成为加工出高质量和高可靠性部件的重点．节余应力的定义1.1节余应力的定义构件在制造过程中，将碰到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失此后，若构件所碰到的上述作用与影响不能够随之而完好消失，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节余应力。节余应力是当物体没有外面因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。凡是没有外面作用，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。节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，节余应力是固有应力的一种[3]。1.2节余应力的分类节余应力的存在状态是多种多样的,随资料的性能、产生条件不同样而不同样,分类的方法也不一致。1925年格·马辛、MuraT、达维金科夫H.H分别提出了节余应力的界定方法。依照节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(Macrresidualstress)和微观残余应力(Microresidualstress)。1973年德国学者E.Macherauch又将宏观节余应力称为第一类节余应力,将微观节余应力划归为第二类、第三类节余应力。第一类节余应力称为宏观节余应力它在资料较大范围内也好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节余应力研究的现状与进展平时的物理或机械方法进行测量。若是第一类节余应力所产生的力或力矩的平衡状态碰到破坏,将以致构件宏观尺寸的变化。平时由于切削加工产生的节余应力是指宏观节余应力。依照加工节余应力的性质不同样,可分为节余拉应力和节余压应力,应力的大小随表层的深度而变化。第二类节余应力称为微观结构应力(Structurasstress),它存在于晶粒尺度内而且保持平衡,在一个或几个晶粒的部分范围内保持均匀。若是第二类节余应力平衡状态获取改变,也会造成宏观尺寸的变化。第三类节余应力称晶内亚结构应力(Substructuralstress)标记为σrⅢ它是在晶粒若干个原子范围内存在并在晶粒的小部分内保持平衡小不均匀。第三类节余应力平衡状态的破坏,不会引起宏观尺寸的变化。

,在晶体亚结构范围内大在大多数情况下,宏观节余应力与微观节余应力总是同时存在的须陪同第二、第三类节余应力的产生。

,产生第一类节余应力的加工过程必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。金属资料碰到刀具的作用今后，开始产生弹性变形；虽着刀具连续切入，金属内部的应力、应变连续加大，当达到资料的信服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再连续前进，应力进而达到资料的断裂强度，便会产生挤裂。2.2变形区的划分大量的实验和理论解析证明，塑性金属切削过程中切屑的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体划分为三个变形区：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，既而塑性变形，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，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必定战胜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互有关系的。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碰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切削过程切削加工表面节余应力的产活力理目前,关于节余应力的产活力理,从理论上定量解析还存在困难。下面仅从已加工表面形成过程的角度解析节余应力的产活力理。（1）机械应力引起的节余应力工件装夹时,若是夹紧力过大,将会使工件发生塑性变形,进而使工件产生节余应力。切削过程中,刀刃前面的工件资料碰到前刀面的挤压,进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;切削后碰到与之连成一体的里层未变形金属的管束,进而产生节余应力。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,刀具走开后,里层金属的弹性变形趋向恢复,但碰到表层金属的管束,所以也产生节余应力。（2）热应力引起的节余应力切削时,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,所以,当热应力高出资料的信服极限时,将使表层金属产生压缩变形,切削后冷却至室温时,表层金属体积的缩短又碰到里层金属的管束,所以产生节余应力。（3）相变引起的节余应力切削时,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样,进而产生节余应力。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,所以节余应力的计算是一个热-力耦合的热弹塑性问题。影响切削节余应力的因素工件已加工表面节余应力的性质和大小受好多因素的影响。掌握这些因素的影响规律并合理选择，关于降低节余应力和优化切削过程是很有必要的。3.1工件资料的影响工件资料自己状态及其物理机械性能对加工表面节余应力产生直接影响。实验表示：塑性好的资料切削加工后平时产生节余拉应力；塑性差的资料则产生节余压应力。依照工件资料的详尽初始应力状态，切削加工可能使工件内节余应力值“增大”或“减小”[4]。3.2切削参数的影响[5]切削速度的影响一般是经过“温度因素”来进行的。切削速度较低时，易产生节余拉应力；切削速度较高时，由于切削温度高升，易产生节余压应力。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；若是此时切削速度较高，则温度因素的影响也有所加强，所以表面节余拉应力将增加，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，节余应力减小，其达到的深度也减小。RobertDHalverstadt特别重申，刀具的尖锐性、后刀面的磨损或钝圆半径对节余应力的影响很大，其次是刀具前角[6]。4.节余应力的检测4.1

盲孔法节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，以去除一部分拥有应力的金属，而使圆孔周边部分金属内的应力获取废弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并表现新的应力平衡，从而使圆孔周边的金属发生位移或应变，经过高矫捷度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。节余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种资料和结构的节余应力解析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及资料任意点变形的应力解析仪器。若是配用相应的传感器，也能够测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微办理机，采用高精度测量放大器、数据采集和办理器，测量中无需调零，可直接测出节余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。图3ZS21B型盲孔法节余应力检测仪4.2切槽法这种方法就是在构件进步行切槽,由于切槽而形成节余应力的释放区,用应变花测定此部分的应变求出节余应力的方法。此处假定由于切槽而形成的相互孤立的部分内节余应力是均匀一致的,而且认为沟槽所包围的部分内,其节余应力完好被释放,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,经过冲击或静压的方法施加必然的冲击功或静压力,使其在工件表面产生球冠形压痕,在压痕周围产生必然的叠加应力并形成必然的应变,该应变值由压痕周围的应变花测得。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磁测法节余应力测量磁测法节余应力检测法主若是经过磁测法来测定铁磁资料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定节余应力的大小和方向。众所周知，铁磁资料拥有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时拥有磁致伸缩性效应，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。经过精美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)值来反响应力值的变化，并经过装有特定节余应力计算机软件的计算机计算，得出节余应力的大小、方向和应力的变化趋向。图4ＨＣ２１Ｂ型磁测法节余应力检测仪4.5X射线衍射法节余应力测量在各种无损测定节余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最合用的。它原理成熟，方法完满，经历了七十余年的进度，在国内外广泛应用于机械工程和资料科学，获取了卓著成就。X-射线应力测定仪是一种简化和合用化的X射线衍射装置，所以它还有一项附加的功能──测定钢中残余奥氏体含量。由于它合用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同样的φ角、Ψ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到的用途。图5X射线衍射节余应力的除掉方法节余应力的存在会严重影响部件的加工精度、使用性能以及使用寿命。所以，必定采用相应的工艺来降低或除掉不良的节余应力。在切削加工后采用一些办理措施，也可对已加工表面的节余应力进行调整，表面加强办理就是目前较常用的方法之一。表面加强办理工艺是经过对工件表面的冷挤压使之发生冷态塑性变形，进而提高其表面硬度、强度，并形成表面节余压应力的加工工艺。常用的表面加强工艺有喷丸加强和滚压加强。1）喷丸加强喷丸加强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，表面产生冷硬层和节余压应力。珠丸大多采用钢丸，利用压缩空气或离心力进行发射这种方法合用于不规则表面和形状复杂的表面，如弹簧、连杆等的加强。图６齿轮喷丸图７数控喷丸设施2）滚压加强滚压加强是用可自由旋转的滚子对工件表面均匀地加力挤压，使表面获取加强并在表面形成节余压应力，合用于规则表面如外圆、孔和平面等的加强加工，可在原机床上加装滚压工具进行。其他，采用退火办理、振动时效等人工时效方法，也可废弛表面层的节余应力。（3）预应力切削[7]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，已加工表面会产生节余压应力。预应力切削只需经过切削加工就能使加工表面产生节余压应[8]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节余应力、表面粗糙度以及表面形态等参数的影响，结果表示，该方法能够在轴承套圈加工表面获取合适的节余压应力状态和优异的表面质量。除此以外，保证部件结构设计合理，尽量防备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，降低部件在每个加工工序中产生的节余应力，同时经过合理的加工工艺的配合来降低节余应力。自然时效办理，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，进而达到降低节余应力的目的。这种方法需要的时间较长，且除掉节余应力的能力有限。人工时效办理，最常有的人工时效办理是时效退火。由于资料的信服强度会随着温度的高升而降低，时效退火法就是把工件加热到资料的回复或再结晶温度范围内保存几小时甚至几十小时，来降低资料的信服强度，使那些在节余应力作用下达到信服极限的部发散生热塑性变形来除掉节余应力的。这种方法要保证冷却速度足够缓慢，省得在工件冷却过程中产生新的节余应力。当先人工时效办理应用特别广泛，它最高能够除掉部件内部80％的节余应力，但是它存在可能引起部件资料的高温消融，其设施昂贵。对环境也有必然污染等缺点。振动时效办理，振动时效是利用机械共振的方法除掉或均化金属结构在铸造、锻压、焊接和切削等机械加工后所产生的节余应力。它经过向工件施加必然大小和频率激荡力的方式给工件传达能量，使工件发生渺小或宏观塑性应变来匀化和除掉节余应力。振动时效法不但能够大幅度地除掉工件内部的节余应力，而且设施简略，节能环保，除掉节余应力效率高。局部塑性变形法，关于精度要求不高的部件，能够在其节余拉应力存在的表面经过手锤敲击或过载的方法使其沿着拉应力的方向产生塑性变形来除掉节余应力。总结节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。节余应力是一种不牢固的应力状态,当物体碰到外力作用时,作用应力与节余应力相互作用,使其某些局部表现塑性变形,截面内力重新分配;当外力作用去除后,整个物体由于内部节余应力的作用将发生形变。。节余应力可降低部件的耐磨性、疲倦强度和耐腐化性，