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一文了解殘余應力測試：你不知道的殘余應力知識都在這里

來源：時間：2022-10-08 11:56:30 瀏覽：3351次

概述

殘余應力是消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內的自相平衡的內應力。機械加工和強化工藝都能引起殘余應力。如冷拉、彎曲、切削加工、滾壓、噴丸、鑄造、鍛壓、焊接和金屬熱處理等，因不均勻塑性變形或相變都可能引起殘余應力。

殘余應力的產生

一、機械加工引起的殘余應力

這是金屬構件在加工中最易產生的殘余應力。當施加外力時，物體的一部分出現塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限制了與其相鄰部分變形的恢復，因而出現了殘余應力。

構件在外力作用下出現局部的塑性變形，當外力去除時，這些局部的塑性變形限制了整個截面變形的恢復，因此產生了殘余應力。這種由局部塑性變形引起的殘余應力，在很多加工工藝中均會出現，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應力往往是很大的。

二、溫度不均引起的殘余應力

這種殘余應力的產生主要有以下兩種原因:第一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形;第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。

1、于熱塑性變形不均而產生的殘余應力

金屬材料在高溫下其性能將發生很大的變化，如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降。如果構件上溫度場的溫度階梯較大，則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的，因此在高溫下出現的熱塑性也是不均勻的。

2、因組織改變而產生的殘余應力

三、構件尺寸公差引起的殘余應力

在焊接、鉚接、螺釘連接時往往有公差配合問題。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起，這些由外力拉到一起而組合的結構，當外力去除后，整個系統就出現了殘余應力。這種應力一般來說屬于結構應力，大多數情況下處于彈性狀態。

殘余應力的分類

按照殘余應力平衡范圍的不同，通常可將其分為三種:

(1)第一類內應力，又稱宏觀殘余應力，它是由工件不同部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應力平衡范圍包括整個工件。例如，將金屬棒施以彎曲載荷，則上邊受拉而伸長，下邊受到壓縮;變形超過彈性極限產生了塑性變形時，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應力，短邊為張應力。這類殘余應力所對應的畸變能不大，僅占總儲存能的 0.1%左右。

(2)第二類內應力，又稱微觀殘余應力，它是由晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻性產生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當，即在晶粒或亞晶粒之間保持平衡。這種內應力有時可達到很大的數值，甚至可能造成顯微裂紋并導致工件破壞。

(3)第三類內應力，又稱點陣畸變。其作用范圍是幾十至幾百納米，它是由于工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷(如空位、間隙原子、位錯等)引起的。

變形金屬中儲存能的絕大部分(80%~90%)用于形成點陣畸變。這部分能量提高了變形晶體的能量，使之處于熱力學不穩定狀態，故它有一種使變形金屬重新恢復到自由焓最低的穩定結構狀態的自發趨勢，并導致塑性變形金屬在加熱時的回復及再結晶過程。

殘余應力的影響

殘余應力一般是有害的，如零件在不適當的熱處理、焊接或切削加工后，殘余應力會引起零件發生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。或經淬火、磨削后表面會出現裂紋。殘余應力的存在有時不會立即表現為缺陷，而當零件在工作中因工作應力與殘余應力的疊加，使總應力超過強度極限時，便出現裂紋和斷裂。

零件的殘余應力大部分都可通過適當的熱處理消除。

殘余應力有時也有有益的方面，它可以被控制用來提高零件的疲勞強度和耐磨性能。

1、對金屬材料屈服極限的影響

2、殘余應力對疲勞壽命的影響

3、殘余應力對構件變形的影響

4、殘余應力對金屬脆性破壞的影響

5、殘余應力對應力腐蝕開裂的影響

消除方法

殘余應力消除的方法目前有三種：

1、就是自然時效，通過自然放置消除應力，這種方法耗時過長，難以適應現代科技及生產需要;

2、是最傳統、也是目前最普及的方法--熱時效法，把工件放進熱時效爐中進行熱處理，慢慢消除應力。這種方法的缺點也非常顯著，比如衛星制造廠對溫度控制要求非常嚴格的鋁合金工件以及長達十米或者更大的巨型工件都無法用這種方法處理。而且這種方法還帶來了大量的污染和能源消耗，隨著中國及世界范圍內對環保的進一步要求，熱時效爐的處理方式馬上面臨全面退出的境地。

3、振動時效，振動時效介于自然時效和熱時效間的方法。振動時效投資少，便攜，使用方便、無污染，節約能源降低成本，可消除殘余應力20-50%，這是目前使用最多的一種方法。

來源：碩博測試圈

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