残余应力的危害和测量

2022-11-08

1什么是残余应力

首先来一段官方的定义：残余应力 (Residual Stress) 是工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响就是残余应力。

有点晕？那换个通俗的方式跟大家讲。比如说一个人之前很瘦，买了一条L号的牛仔裤，然而过了个年吃成了大胖子，这时候再穿这条牛仔裤，由于人长胖了而裤子没变，因此他就会觉得裤子太紧了，这时候身体与裤子之间就有了很强的作用力，如果用力过猛很容易把裤子撕破，这种破坏力就是残余应力的作用效果。

从能量作功的角度来理解，外力使物体发生塑性变形时会导致物体内部发生变形，因而积累一部分能量；当外力消除后，内部应力分布不均匀的能量要进行释放，如果物体的脆性低，则物体会缓慢变形，脆性高则形成裂纹。

图1 残余应力作用效果

残余应力在机械制造中非常常见，往往各个工艺都会产生残余应力。不过，从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结成三类：

第一类，不均匀的塑性变形；第二类，不均匀的温度变化；第三类，不均匀的相变。

2残余应力的危害

从残余应力的分类可以看出，残余应力会引起物体缓慢变形，导致物体尺寸的改变，导致机械加工工件尺寸不合格，仪器生产中导致整台仪器丧失精度成为废品，铸造锻造工件出现裂纹甚至断裂，同时对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命等，也有着十分重要的影响。

铸件在冷却的过程中，由于工艺的不合理导致冷却不均匀而产生残余热应力导致铸件断裂。

图2 铸件冷却时断裂

热处理的淬火过程中，过冷奥氏体进行马氏体转变时容易导致材料断裂。

图3 淬火过程金属断裂

3残余应力的测量

对于残余应力的测量，从大类上可以分为机械法、化学法和X射线法三种。

机械法

机械法中最为常见的是钻孔法（也称盲孔法），操作时从物体上截取一段长度为其直径3倍的棒材（或管材），在其中心钻一通孔，然后用膛杆或钻头从内部逐次去除一薄层金属，每次去除约5%的断面积，去除后测量试样长度的延伸率和直径的延伸率。

图4 钻孔法示意图

图5 钻孔法作图

绘制这些数值与钻孔剖面积的关系曲线，用作图法求出曲线上任意一点的导数，表征延伸率与钻孔剖面的变化率，然后代入相应的应力公式即可得到残余应力值。

化学法

化学法有两种思想。一种想法是将试样侵入到适当的溶液中，测量出自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经过的时间来判断残余应力的大小，所用的溶液，对于含锡青铜可用水银及含水银的盐类，对于钢可用弱碱及硝酸盐类；另一种想法是将试样吊浸在适当的溶液里，隔一定时间来称其重量。这样就可以得到一个重量减小量与经过时间的关系曲线，与标准曲线相比较，以判定残余应力的大小，所得到的曲线的位置比标准曲线越高，则表示物体内的残余应力越大。

图7 化学法的称重曲线

X射线法

X射线法可利用X射线穿透金属件，其中劳埃法是通过干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力。

图8 X射线法原理示意

当无残余应力存在时，各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。

德拜法可以定量地测出所存在的残余应力，具体可以根据德拜图上衍射射线条位置、射线线条宽度和强度的变化来确定。

(a)透射法 (b)背射法

总结一下，机械法和化学法是有损测试方法，需要对待测物体局部取样，而且测试后损坏不可逆；X射线法是一种无损测试方法，可保持物体的完整性。机械法能够较为精确地确定残余应力的大小和分布，一般适用于棒形或管形的物体；化学法适用于金属丝、薄片类型的物体，但化学法只能进行定性判断，很难做到定量描述；X射线法虽然是一种“非破坏性”的方法，但此方法仅适用于能够给出较清晰敏锐的衍射线条的某些材料，并由于X射线的投射能力较小，只能探明物体接近表面部分的情况。