无应力制造技术之残余应力的来源

残余应力的概念由德国铁路工程师WOEHLER于1860年最先提出，他认为火车车轴断裂的主要原因是受到残余应力的作用，但是未对作用机理进行解释。此后，各国学者不断探讨这个问题。直到1973年，德国著名学者 MACHERAUCH提出了一个得到广泛认同的残余应力模型。

如图1所示，该模型将残余应力分为三类：第一类残余应力(σIIR)是在物体宏观较大体积或多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。此类应力释放，会使物体宏观体积或形状发生变化。第二类残余应力(σIIM )是在一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。第三类残余应力(σIIIM )是在若干原子范围内存在并保持平衡的内应力。国内外文献中将第一类残余应力称为“宏观残余应力”(Macrostress)，把第二类和第三类残余应力合称为“微观应力”(Microstress)。通常工程上所说的残余应力指的是宏观残余应力。

各种机械制造过程都会使机械构件内部产生残余应力，其主要来源归纳如下。

(1) 不均匀温度场产生残余应力。材料内部的不均匀温度梯度导致不同的膨胀变形而产生残余应力称为热变形残余应力。许多机械加工工艺过程都导致机械构件表面或内部产生和存在不均匀的温度场。例如，各种经过冶炼后形成的金属板材、棒材或块状胚料;热固化或烧结固化的玻璃、陶瓷、水泥、塑料、推进剂、火炸药和各种复合材料等构件;各种焊接和热处理工艺，以及激光或热熔堆积的增材制造等工艺。这些工艺中，材料由液态物质冷凝后成型为机械构件，冷却过程中都存在由材料表面向内部的温度变化梯度，材料内部的不均匀温度场导致了构件不一致的热变形，完全冷却后会在构件内部滞留有残余应力，且结构尺寸大、截面突变或形廓复杂的机械构件容易滞留较大的残余应力。

热轧制金属板材和锻造金属板内部残余应力分布示意如图 2 所示。

熔焊焊接过程都会产生焊接残余应力，焊接残余应力分布状态与熔焊温度、母材和焊缝热导率、焊接工艺、母材及焊口形状等有关，如图 3 所示。

在焊接热循环作用下，焊缝两侧紧邻焊址的母材区域，由于融化焊接热量的作用而发生明显的金相组织变化和材料性能下降，通常这一区域称为焊接热影响区，范围较窄，一般距离焊 1～5 mm 以内;而焊接残余应力区域位于距离焊址 5～100 mm 的范围内，这个区域内的残余应力最大值通常分布在距离焊址 1.5～2.5 倍板厚的位置附近，而不是在焊缝热熔合线附近的热影响区上，如图 4 所示。

通常焊接热影响区内的材料晶格粗大、抗拉强度和延伸率等力学性能下降，材质变脆。当残余应力区域中的残余应力或与外界载荷应力共同作用下超过热影响区材质的屈服强度时，焊缝热影响区容易出现开裂或裂纹;有时是在焊接后的一段时间内出现，称之为延迟开裂或延迟裂纹，降低了机械构件的静态强度和疲劳强度。这一区域经常受母材焊接残余应力集中的趋衡作用而开裂或变形，通常也称为焊接延迟裂纹或焊接热变形。

热作用产生的应力超过材料屈服极限时，会引起不均匀的塑性变形，使得材料内部的残余应力重新分布。热轧、热锻、热处理和焊接等易引起热不均匀性的制造工艺都会在机械构件内部滞留残余应力。

(2)不均匀塑性变形产生残余应力。塑性变形迫使材料体积发生变化，不均匀的塑性变形将导致构件材料发生不均匀体积变化，体积尺寸变化的差异使材料表面和内部发生的压缩或伸长变化量也不同，从而导致在材料内部滞留了残余应力，简称塑变残余应力。不均匀的塑性变形常见于对机械构件的切削、滚压、拉拔、挤压和喷丸等机械加工工艺。

不同机械加工工艺产生的残余应力分布状态是不同的，几种典型机械加工工艺产生残余应力比例的示意如图 5 所示。

(3) 不均匀相变产生残余应力。利用热处理过程中的金属相变来改变材料组织特性的同时，由于各种材料金相组织的比容不同，金属材料内部会出现相对不均匀形变而产生残余应力，简称相变残余应力。相变残余应力经常出现在诸如热处理、焊接、锻造等热加工以及磨削等加工工艺中。各种热处理工艺(淬火、回火、正火、退火等)产生残余应力的对比如图 6 所示，其中，淬火工艺最容易引起机械构件的变形和开裂。热处理后构件内部不仅容易出现不均匀相变，而且与不均匀温度场同时作用后的机械构件更容易变形和开裂，尤其是弱刚度和壁厚差大的机械构件的开裂变形现象更加突出。

传统的退火工艺经常被用于去除构件内部残余应力，但是该方法对大型复杂结构件或壁厚差较大的构件，残余应力消减和均化效果并不理想，而且还容易引起构件的变形。

(4)不均匀化学固化过程产生残余应力。在化学固化反应过程中，不同材料的化学成分的比容不同、微观颗粒尺度不同，导致固化过程中材料内部微观织构的膨胀和收缩率不同，从而产生残余应力，简称固化残余应力或化学残余应力。比如，碳纤维环氧树脂复合材料、水泥、陶瓷、尼龙、塑料和推进剂及火炸药等材料的化学固化过程中经常会产生残余应力。当残余应力不均匀时，经常会引起材料的变形和开裂，同时，化学热处理、喷镀喷涂和表面脱碳等加工方式经常会引起因化学成分的差异而产生化学残余应力。金属腐蚀过程就是化学残余应力不断产生和释放的过程，拉伸残余应力将促进和加速材料的腐蚀过程，这种现象称为应力腐蚀，将引起材料腐蚀的最小拉伸残余应力数值称为腐蚀应力阈值。

(5)服役构件的疲劳过程产生残余应力。疲劳过程改变金属材料晶格间或材料内部织构的约束状态，导致材料内部出现局部微观塑化和晶格间约束力的变化，导致材料内部出现残余应力，简称疲劳残余应力。通常，疲劳过程产生拉伸残余应力，如果材料内部伴随有微观塑化和微细裂纹，在拉伸残余应力作用下，疲劳构件的承载能力下降，常表现为疲劳脆断。各种碾压、滚压、折弯、拉压、甚至温度和湿度的交替变化等循环往复的载荷，都对承载构件产生疲劳残余应力，如航空发动机叶片和涡轮盘、水轮机叶轮和水道、桥梁和起重设备等等在服役过程中都承受交变载荷作用而容易产生拉伸残余应力。

上述热变残余应力、塑变残余应力、相变残余应力、化学或固化残余应力都属于机械构件制造工艺过程产生的残余应力，取决于加工制造参数;疲劳残余应力属于机械构件服役过程产生的，取决于疲劳载荷的作用规律。