残余应力的产生原因

1. 加工制造过程

• 热加工：如铸造、焊接、热处理时，材料各部位冷却速度不均，导致收缩或膨胀不一致（如焊接时焊缝区高温膨胀受周边低温区域约束，冷却后形成拉应力）。

• 机械加工：切削、磨削等工艺会使表面层产生塑性变形，内部弹性变形区域试图恢复原状，导致表面形成残余应力（如磨削常产生表面压应力）。

• 相变：材料热处理（如淬火）时，不同区域相变时间或组织转变不完1全（如马氏体与奥氏体比容差异），引发内应力。

2. 装配与使用过程

• 零部件装配时的过盈配合、冷压装配等会引入应力（如齿轮轴与轮毂的过盈配合产生接触应力）。

• 长期服役中受循环载荷、温度波动等作用，材料局部发生塑性变形，载荷去除后形成残余应力。

残余应力的分类

1. 按作用范围分类

• 宏观残余应力（第一类应力）：作用于材料宏观区域（如构件整体或较大体积），应力平衡范围可达毫米级。例如焊接件中沿焊缝长度方向的拉应力。

• 微观残余应力（第二类应力）：作用于晶粒或亚晶粒尺度，应力在晶粒间或晶内不同区域平衡，尺度为微米级。例如多晶材料中各晶粒变形不均匀产生的应力。

• 超微观残余应力（第三类应力）：存在于原子尺度，由晶格畸变（如位错、空位等缺陷）引起，影响材料力学性能（如强度、韧性）。

2. 按应力性质分类

• 拉应力：使材料有伸长趋势的应力（如焊接热影响区常存在拉应力，易导致裂纹扩展）。

• 压应力：使材料有压缩趋势的应力（如表面喷丸处理可引入压应力，提高疲劳强度）。

残余应力的影响

• 积极影响：
  通过工艺手段（如表面喷丸、滚压）在材料表面引入压应力，可抵消服役时的拉应力，提高抗疲劳断裂和应力腐蚀能力（如航空发动机叶片、汽车弹簧的表面强化）。
• 消极影响：

• 导致变形与开裂：宏观拉应力可能使构件产生变形（如焊接件扭曲）或诱发裂纹（如淬火件因应力过大开裂）。

• 降低力学性能：微观应力会加剧材料内部损伤积累，加速疲劳失效或腐蚀进程（如桥梁钢结构的应力腐蚀开裂）。

• 影响尺寸精度：机械加工后的残余应力可能在后续使用中释放，导致零部件尺寸精度丧失（如精密齿轮热处理后的变形）。

残余应力的测量方法

残余应力的控制与消除

• 工艺优化：改进加工流程（如焊接时采用对称施焊、预热缓冷），减少应力产生源头。

• 热处理：通过退火、回火等工艺消除或降低残余应力（如铸件的去应力退火）。

• 机械处理：喷丸、振动时效等方法使材料产生微小塑性变形，释放应力并调整应力分布。

• 数值模拟：利用有限元分析（FEA）预测加工过程中的应力分布，指导工艺参数优化。