残余应力的属性及对材料性能的影响

(1)残余应力是构件材料的固有属性。金属铸锻毛胚和非金属固体在其制备过程中的不均匀温度场、材料固化成型、不均匀相变热处理和化学处理等工艺处理下，其内部必然产生和驻留了不均匀分布的初始残余应力，是构件材料的固有属性。后续机械加工和焊接过程，不仅产生了新的残余应力，还破坏了原始构件胚料内部的初始残余应力平衡状态，不平衡的残余应力分布导致构件变形，材料去除量越大、残余应力分布失衡状态越严重，整体刚度越差、越容易变形。

(2)残余应力具有三维矢量特性。残余应力具有力的基本物理属性，是具有大小和方向的物理量，因此，残余应力的分布状态在构件内部具有三维矢量特性，对材料内部残余应力的表征要体现数值大小、拉压状态、方向指向和存在位置。存在于晶格内部及其之间的残余应力常称为微观残余应力;存在于材料单元体内部及其之间的残余应力常称为宏观残余应力或体残余应力，体残余应力是对材料结构受力状态的宏观描述，常用来评价机械结构的服役安全状态。

(3)残余应力分布具有能量特性。残余应力的产生是由于外界能量的滞留而导致的，残余应力仍然以残留的能量存在于材料中，如液态金属固化温度梯度导致的热变残余应力或热处理过程导致的相变残余应力等均是由于外界热能滞留导致的;金属加工塑性变形导致的塑变残余应力或疲劳过程导致的疲劳残余应力均是由于外界载荷能量的滞留导致的;化学或固化残余应力也同样是由于化学能或与热变能滞留的综合作用导致的。残余应力的分布实际是一种能量场的分布，残余应力生成的过程是一个能量注入和滞留的过程，例如滚压、喷丸和冲击等加工工艺滞留残余应力的过程。同样，要改变材料中的残余应力，也必须注入更大的能量才能有效改变原来驻留的残余应力，例如，退火去残余应力工艺就是用一定时间的热能改变残余应力及其分布;振动去残余应力工艺是用一定时间的机械能改变残余应力及其分布，后文介绍的高能声束调控方法是用弹性波的能量改变残余应力及其分布。

(4)残余应力分布具有趋衡效应。分布不均匀(或集中)的残余应力在机械构件处于自然环境、自由状态、或温度交变和振动冲击服役状态下，有逐渐趋于平衡分布状态的现象，称之为残余应力趋衡效应。残余应力分布不均的趋衡过程将导致机械构件产生不可预测的几何形变或腐蚀，当局部残余应力引起的变形无法释放而且数值超过材料的屈服强度或极限强度时，构件局部将出现塑性变形或开裂。

机械构件内部残余应力状态是动态变化的，随着机械加工工艺不同，残余应力分布状态也是不同的，对金属铸锻胚料加工去除量的大小决定了对残余应力平衡状态破坏的大小，去除量不同，构件变形量大小和变形形态也不同，去除量越大，平衡状态破坏越严重，机械构件变形就越大，而机械构件的形变过程又会促使材料内部残余应力获得重新平衡。去除或焊接加工导致的残余应力不平衡状态引起的加工变形如图 7 所示。

对于弱刚度构件，通常表现为加工后局部强度下降，在不平衡分布状态的残余应力的作用下，发生严重的翘曲或弯曲变形。壁厚差越大，变形越大，开裂可能性越大，这就是弱刚度构件容易变形开裂的根本原因。解决弱刚度构件加工变形和开裂的有效途径是在加工制造成形过程中，同步消减和均化构件内部的残余应力分布状态，持续重建和保持机械构件内部残余应力处于均匀分布的平衡状态。

(5)残余应力的存在具有全生命周期特性。在没有外界能量作用的情况下，构件材料内部残余应力分布的趋衡效应是一个持续且缓慢变化的过程。残余应力存在于金属和非金属构件的毛胚成型、构件加工、部件装配和产品服役以及维修保障等多个环节的全生命周期，对机械构件的质量、安全性和可靠性有极其重要的影响。表层方向不均匀分布的拉压残余应力可能导致构件弯曲变形和开裂，法向不均匀分布的残余应力可能导致构件厚度变形。焊接残余应力导致构件焊接区域变形和开裂，加工残余应力引起构件表面或变厚度部位变形和开裂，不同的残余应力分布状态导致机械构件具有不同的变形形态和开裂方式。特别注意的是，拉伸残余应力会降低结构强度并促进应力腐蚀和变形，而且残余应力分布状态是随着结构形式、环境温度和外界载荷的变化而重新动态分布的。残余应力对机械构件的上述影响贯穿于机械构件的全生命周期中，特别地，由于残余应力的趋衡效应，分布不均的残余应力使得机械构件持续出现变形、开裂和腐蚀形式的损伤，给存储和服役过程中的机械构件和装备带来重大安全隐患。

因此，无损而准确量化地获取机械构件内部残余应力分布状态是开展有效调控残余应力，提高机械构件形状精度和阻止其开裂的前提和基础。

残余应力分布状态宏观上分为拉伸残余应力、压缩残余应力和零残余应力。拉伸残余应力指的是在外界载荷作用力去除之后材料晶格相互之间或单元体相互之间承受的是拉伸作用力，压缩残余应力则相反。零残余应力状态是指在外界载荷作用力去除之后材料晶格相互之间或单元体相互之间只存在材料晶格间或分子间的键合力，不存在外界载荷去除后滞存下来的作用力或能量。

残余应力具有三维空间矢量特性，即位置、大小和方向性。机械构件承载的应力强度等于作用于该构件的外界载荷应力与内部残余应力的矢量之和。内部残余应力与外界载荷应力相反时可以增加承载能力，相同时则会降低承载能力，当构件内部残余应力为零时，构件的最大承载应力强度就是材料的屈服强度。

为便于工程描述，可按构件实际形廓将宏观残余应力分为切向残余应力和法向残余应力。切向残余应力是指其方向平行于构件外表面轮廓切向的残余应力，法向残余应力是指其方向平行于构件外表面轮廓法向的残余应力。切向拉伸和压缩残余应力的分布不均将导致机械构件表面弯曲变形和开裂，法向拉伸和压缩残余应力的分布不均将导致机械构件表面凸起和凹陷。材料内部切向和法向残余应力的分布不均将导致内部开裂和疏松、或引发机械构件表面变形和开裂。实践表明，材料表面至内部滞留有一定梯度的压缩残余应力可以有效提高表面强度、耐磨性和服役疲劳寿命或可靠性。例如，喷丸、滚压和表面冲击等工艺可以在机械构件表层内形成由外向内的具有一定梯度的压缩残余应力分布，可以有效地改善构件表面质量和抗疲劳特性。

残余应力对构件机械性能的影响主要表现在如下几个方面。

(1)残余应力影响构件材料的屈服极限。拉伸残余应力的存在不但会降低工件静强度和疲劳强度，使其在制造和使用时产生变形和开裂等缺陷，而且在制造后的自然释放过程中会造成材料的抗腐蚀能力下降，使构件材料实际的拉伸屈服强度降低，压缩屈服极限强度提高。反之，材料中存在的压缩残余应力会使得材料的拉伸屈服极限提高，压缩屈服极限降低，如图8所示。研究表明，残余应力的影响是多方面的，评估其好坏不能一概而论，通常情况下，工程上不希望在构件表层存在拉伸残余应力，而是希望存有压缩残余应力来提高构件的抗拉强度。

(2) 残余应力分布不均导致构件的变形。通常残余应力分布状态是不均匀的。构件受到外力作用，与自身内部的残余应力相互作用时，使得构件某些局部区域出现塑性变形，尺寸也随之变化。残余应力会显著地影响构件加工后的尺寸精度和服役过程中的形廓尺寸精度7，如图9所示。残余应力对构件变形的影响包括两个方面：一是构件抵抗静、动载荷的变形能力;二是载荷卸除后变形的恢复能力;由于残余应力的趋衡效应，不均匀分布的残余应力将导致不断的应力变化而产生应变，应变引起构件的变形，这就是残余应力对机械构件尺寸精度保持性的最大影响。工程领域一直在努力研究和寻找消减、消除和均化构件内部残余应力的有效方法，以提高机械构件形状精度保持性。

(3)残余应力影响构件的疲劳寿命。残余应力的存在对构件疲劳寿命有重要影响，通常，拉伸残余应力降低疲劳寿命，压缩残余应力将阻止裂纹开裂、增加表面强度和延长疲劳寿命[8—9]，例如残余应力对齿轮寿命影响规律如图10所示。研究表明，宏观的残余应力和微观的残余应力都影响构件的疲劳寿命，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变应力水平，对疲劳寿命影响较大;而微观组织不均匀所造成的微观残余应力，在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，产生应力集中，并使组织内部产生裂纹，这些影响比起静强度对疲劳的影响更为重要。

(4) 残余应力导致构件脆性破坏。脆性破坏是构件在几乎不存在塑性变形的情况下突然开裂或断开，在温度突然下降或变形速度突然增大的情况下最易发生。由于不均匀塑性变形导致构件材料局部的应变应力能量处于抑制状态，在突然受到较大外力作用下，构件就容易发生脆性破坏，当构件内部存在初始拉伸残余应力时，刚好受到外界冲击外力作用，叠加后构件承受的有效载荷大于材料屈服强度，加速了机械构件的脆性破坏。有些情况下，疲劳过程引起构件材料局部塑变，塑变后的局部材料机械性能下降，促进了构件的脆裂破坏。

某些情况下，残余应力也是有益的。如利用喷丸强化工艺在构件材料表层引入压缩残余应力分布和细化材料织构，从而增加金属表面和整体结构强度，提高金属构件表面抗腐蚀和耐磨损能力。如在齿轮齿面、轴承内外圈滚道表面等运动摩擦副接触面增加具有一定梯度的压缩残余应力。有时为了提高高压容器内壁的抗压力冲击和抗腐蚀能力，往往要在其内壁施加一定厚度的残余应力层，起到保护内壁和延长使用寿命的效果。

如为提高火炮身管发射药室内膛的射击寿命，通常都要经过液压或机械工艺方法在药室内膛产生一定厚度层的压缩残余应力或也称自紧力。实践发现，在一定的服役工作环境下，压缩残余应力可以保存相当长的一段时间，能有效地对构件起到很好的防腐和增加强度的作用，图 11 给出了一些引入有益残余压应力的常用工艺。

总之，几乎所有的机械制造过程都会使构件内部产生残余应力，其状态随各种加工方法及参数或处理方法不同而有较大差别。机械加工如挤压、拉拔、轧制、校正、切削、磨削、表面滚压、喷丸或锤击、以及热处理、焊接、切割等工艺，都不可避免地在构件内部产生不均匀的残余应力分布，导致对构件疲劳强度、静态强度、结构变形和服役寿命以及可靠性等方面产生不利影响。例如，焊接过程产生的焊接残余应力的影响会贯穿焊接结构全寿命周期，焊接残余应力会导致焊缝附近出现的残余应力集中，从而导致晶粒粗大且强度下降，最终造成焊接热影响区容易产生微裂纹。而这些微裂纹在一定的载荷条件下会导致强度薄弱的焊接热影响区出现开裂，形成焊接延迟裂纹。消除这一现象的一个有效的技术措施就是在焊接过程中及时消减和均化集中的焊接残余应力，这就是所谓的无应力焊接技术。