无应力制造技术之残余应力及相关定义
机械构件都滞留有残余应力，不均衡分布的残余应力是构件变形和开裂的根源。切向残余应力导致构件弯曲变形和开裂，法向残余应力导致厚度变形，对残余应力变化和控制规律认知的不足成为弱刚度板类构件、壳体箱体类构件、车船壳体、压力容器、管道、焊接钢结构等金属材料构变形和开裂等质量问题的根本原因，同时也是碳纤维复材、陶瓷、玻璃等固化粘接及烧结复合材料构件变形和开裂等非金属材料构件出现质量问题的根本原因，引发了诸多重大机械结构和装备的事故和服役可靠性问题，对机械构件内部残余应力分布状态的量化无损检测与调控技术已经成为机械制造领域重要的核心工业基础。
残余应力分布状态是机械构件安全性的重要表征，反映和决定了机械构件的质量和可靠性状态。残余应力的存在改变了材料微观结构之间的约束力，压缩残余应力使得材料微观织构更加紧密和牢固，增加了强度，外界介质很难侵入，耐腐蚀能力得到了增强，压缩残余应力能提高构件抗腐蚀、抗疲劳和抗开裂能力;而拉伸残余应力松弛了材料微观织构的紧密度，降低了材料结构强度和疲劳强度，外界腐蚀介质分子容易进入材料织构间隙，更容易发生腐蚀或物质之间的化学反应、打破了材料织构间约束力的平衡状态，出现了新的残余应力分布状态。对于金属材料，拉伸残余应力有促进腐蚀、催生裂纹，会降低材料的强度和防断裂能力，进而会降低机械构件的疲劳强度和服役寿命。降低机械构件表面和内部拉伸残余应力是防止或阻止金属机械构件变形开裂和应力腐蚀的有效途径。
残余应力贯穿于结构件的设计、制造和服役全生命周期的每个过程，对残余应力的掌握和控制也必须贯穿于设计、制造、检验和计量等制造过程的每个环节。通过对残余应力分布状态和大小的量化无损检测与控制，达到机械构件加工制造残余应力可控，实现无应力制造过程，对于机械构件的质量和服役可靠性具有重要的理论和现实意义。
应力是指物体受外来因素(力、湿度、温度、材料织构等)变化作用时，物体内各部分之间产生的相互作用力，以抵抗外来因素的作用。物体内部单位面积上的作用力称为应力，垂直于作用面的应力为正应力或法向应力;平行于作用面的应力为剪应力或切向应力，单位为MPa。应力具有方向和大小，物体内部任一点的应力状态可以用过一点的任意一组相互垂直的三个平面上的应力表示。任何机械构件通常都包含材料的初始残余应力、加工残余应力、装配应力和服役载荷应力等多种应力，存在于任何制造阶段。
残余应力是指去掉外部载荷后留存在在材料表面和内部的自相平衡的应力，具有大小、方向和位置三维空间矢量分布特征。构件材料内部不均匀温度变化、不均匀相变、不均匀塑性变形和循环载荷疲劳作用等多种物理过程会引起残余应力，金属或非金属构件都存在残余应力，残余应力是构件材料的基本属性。
初始残余应力是指机械构件原材料中由于各种制胚工艺而留存的残余应力。例如，金属材料母材或胚料均由冶炼的高温液态金属在一定的体积下冷却凝固和轧制成型，制备过程中的不均匀温度场和机械加工导致金属原材料(金属板材、棒材或锭材等母材)内部产生残余应力。
加工残余应力是指构件中由于各种加工制造工艺而留存的残余应力。例如，焊接残余应力是由于焊接工艺过程导致的、留存于焊缝附近区域的内部应力，是焊接热应力与母材初始残余应力的叠加。焊接热应力是由焊接热过程的温度梯度造成的，分布状态取决于焊接热应力与母材初始残余应力的叠加，焊缝附近金属熔化后再凝固、冷却收缩受到约束导致产生热应力。
许用残余应力是指构件内部能承受的或允许的最大残余应力。当许用残余应力与外界载荷应力之和超过构件材料屈服强度时，构件将发生塑性变形或开裂。当残余应力与载荷应力方向一致时，残余应力越大，构件能承受的外界载荷越小。
应力梯度是指应力沿某一方向(常指构件结构面的法向或切向)变化的快慢情况，应力梯度绝对值大表明应力变化快，绝对值小则表明应力变化慢，用比率数值表述。
应力均匀度是指应力沿某一方向(常指构件结构面的法向或切向)变化的程度，可以采用应力变化的均方差表示，均方差越大表明应力分布越不均匀，应力集中程度越大，反之亦然。
装配应力是指机械构件装配后产生的应力，通常是由于紧固力或过盈装配产生的内应力，如螺纹连接、销钉连接、铆接和过盈配合装配产生等。服役应力是指外界载荷施加于构件后，构件材料表面和内部的应力，通常是初始残余应力、加工残余应力、装配应力与载荷应力之和，也具有三维空间分布特征，载荷去除后载荷应力随即消失。例如，服役状态下的钢结构的服役应力包括钢结构母材自身的初始残余应力、焊接工艺过程引起的焊接残余应力、机械加工和热处理加工产生的加工残余应力、装配过程产生的装配应力、环境温度变化导致的热应力、外界载荷产生的载荷应力、钢结构自重引起的应力等。
当被检测构件为焊接构件且处于无约束自由状态时，在焊接残余应力区检测到的焊接残余应力，是焊接过程产生的热应力与母材初始残余应力之和，当其数值小于焊接材料的许用残余应力时，焊接热影响区或焊接残余应力区是安全的。当焊接构件处于服役状态下，焊接残余应力区处于装配约束状态或载荷状态时，焊接残余应力区检测到的应力是焊接残余应力、装配应力与载荷应力的综合叠加。
