无应力制造技术之残余应力对材料性能的影响

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。