无应力制造技术之残余应力属性

(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。