残余应力产生的原因

各种机械加工工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会产生不同程度残余应力。下面用力学模型分析残余应力产生的原因。

这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。

如图所示，当一均匀梁受纯弯曲且上下表面进入塑性时，沿横截面各层上的应变分布如aa`线所示。其中mn部分产生了塑性变形，而no部分仍处于弹性状态。当外力去除时梁的变形得到恢复，各点的应变也得到释放，但梁的上表面m点深至n点这一层内已产生塑性变形，设上表面m点的塑性应变为εt，则当截面mm`各点的应变恢复到折线bnon`b`时，整个截面内将不存在应力。但实际上梁截面内应变分布是以中性层为坐标原点的线性分布，所以当上表面的应变值从εa降至εt时，截面内各点仍有不平衡的弹性应变如△bon所示。因此梁的变形将继续恢复，并使表面往下某一深度内产生压缩应变如△bpc所示。这时梁内出现了如图1.1b所示的应力分布。直到所有的应力在梁轴向总和为零且对o点的力矩为0时，截面处于平衡状态而不再发生变形。这时沿截面各点出现了正负相间的自相平衡的应力系统，这就是残余应力。 

上述分析可见，构件在外力作用下出现局部的塑性变形，当外力去除时，这些局部的塑性变形限制了整个截面变形的恢复，因此产生了残余应力。这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拔、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。

1、由于热塑性变形不均而产生的残余应力

金属材料在高温下其性能将发生很大的变化，如屈服极限、弹性模量等都随温度的升高而下降。如果构件上温度场的温度阶梯较大，则屈服极限和弹性模量的分布也是不均匀的，因此在高温下出现的热塑性也是不均匀的。

如图1.2所示，是材料在不同温度下的屈服极限的变化曲线。从图中可以看出，材料在0—500℃阶段的屈服极限基本不变，等于常温时的屈服极限σs 。当温度在500—600℃阶段时，材料的屈服极限成线形下降至接近于零。当温度超过600℃以后，可以认为屈服极限为零。

2、因组织改变而产生的残余应力

从图1.2中可见，如果温度大于600℃，其应力变化与低温时是相似的。但由于这时材料的屈服极限接近于零。因此很容易出现热塑性变形。变形恢复时受的阻力也比前者大，所以残余应力也较大，但产生残余应力的条件是不变的。

高温中的另一个问题就是由相变引起的相变应力。金属的组织发生相变时，会出现体积的突然膨胀。如果这种膨胀是均匀的，则如同构件均匀热膨胀一样，没有约束的情况下不产生应力。但是由于构件的组织成分不均匀，温度分布不均匀等等原因，造成构件各部分相变时间不同，体积膨胀不均匀，因此使各部分间出现互相约束而产生了残余应力。

在焊接、铆接、螺钉连接时往往有公差配合问题。如船体分段对接时必须将对接钢板拉到一起，这些由外力拉到一起而组合的结构，当外力去除后，整个系统就出现了残余应力。这种应力一般来说属于结构应力，大多数情况下处于弹性状态。

总之，残余应力的产生是由于构件某一部分的变形恢复受到约束而造成的。局部不均匀的塑性变形的出现，是产生残余应力的普遍原因。一个构件上残余应力的分布状态是由各种原因产生的残余应力的综合值来决定的，因此它的分布规律是随机的，给测量和研究带来较大的困难。