殘余應力分類與評估

1、1殘余應力11.1殘余應力的定義及分類 11.2殘余應力的本質(zhì)11.3殘余應力的影響22殘余應力的消除方法 33殘余應力的測定與評估63.1無損檢測法63.1.1鉆孔法63.1.2環(huán)芯法73.1.3剝層法83.2無損檢測法83.2.1 X射線衍射法 83.2.2中子衍射法1.0.3.2.3 超聲波法.1.1.3.2.4 磁測法1.1.1殘余應力1.1殘余應力的定義及分類構件在進行各種機械工藝加工過程中，如鑄造、壓力加工、焊接、切削、熱 處理、裝配等，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，會使工件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的應力，當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用于影響不能隨之 而完全消失，仍有部

2、分作用與影響殘留在構件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為 殘留應力或殘余應力?？梢哉f殘余應力就是是當物體沒有外部因素作用時，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應力。殘余應力是一種固有應力，按其作用的范圍來分， 可分為宏觀殘余應力與微觀殘余應力等兩大類：宏觀殘余應力，又稱第一殘余 應力，它是在宏觀范圍內(nèi)分布的，它的大小、方向和性質(zhì)等可用通常的物理的或 機械的方法進行測量；微觀殘余應力屬于顯微事業(yè)范圍內(nèi)的應力， 依其作用的 范圍細分為兩類，即微觀結構應力（又稱第二類殘余應力，它是在晶粒范圍內(nèi)分 布的）和晶內(nèi)亞結構應力（又稱為第三類殘余應力，它是在一個晶粒內(nèi)部作用的）。 1.2殘余應力的本質(zhì)一般認為殘余應力是能

3、量儲存不均勻造成的， 是材料內(nèi)部不均勻塑形變形的 結果，其本質(zhì)是晶格畸變，晶格畸變很大程度上是由位錯引起的。在機械制造中， 各種工藝過程往往都會產(chǎn)生殘余應力， 但是，如果從本質(zhì)上講，殘余應力是由于 金屬內(nèi)部組織發(fā)生了不均勻的體積變化， 形成了不均勻的變形，金屬內(nèi)部需要達 到平衡而形成的相互作用。產(chǎn)生不均勻變化的原因可以歸結為不均勻的塑性變形、 不均勻的溫度變化及不均勻的相變。如金屬合金在淬火過程中，內(nèi)部形成很大的殘余應力，機械加工后破壞了這些殘余應力的平衡狀態(tài)，所以零件產(chǎn)生變形。當 零件剛性較大，形狀對稱時，變形較小。反之，則變形十分明顯。在工件內(nèi)部實際應力的情況是復雜的，有眾多位錯的相互作用

4、，還有空位等點缺陷及晶界、亞 晶界的影響，所以，實際工件內(nèi)部殘余應力是眾多因素導致的晶格畸變的綜合結 果。1.3殘余應力的影響機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、 尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重大的影響。低碳鋼在硝酸鹽中的“硝脆”，奧氏體不銹鋼在氯離子溶液中的“氯脆”，鍋爐鋼在堿溶液中的“堿脆”，黃銅在帶 有氨氣氣氛中的“氨脆”等等屬于應力腐蝕開裂，所有這些應力腐蝕主要是由于 殘余應力引起的。尺寸穩(wěn)定性是表示材料在熱處理與加工完畢后，在工作環(huán)境下不受外力作用 或在低于彈性極限的應力作用下抵抗永久變形的能力以及在加工過程中保持尺 寸不變的能力。一般認為，長期存放過程

5、中金屬尺寸的自發(fā)變化是以下因素的結 果：材料的相與組織狀態(tài)的不穩(wěn)定性；在各種熱加工與冷加工工藝過程中以 及在機械裝配操作時零件中發(fā)生殘余內(nèi)應力的松弛； Paquin等認為性能的不 均勻性即各向異性材料導致材料在加熱過程中誘發(fā)殘余應力的松弛，也是尺寸不穩(wěn)定性的一個內(nèi)應。在儀器儀表制造業(yè)、航空工業(yè)中以及宇航工業(yè)，構件的尺寸 穩(wěn)定性性能越來越難以適應現(xiàn)代精密儀表設計的要求。 在一個高精度的陀螺和羅 經(jīng)系統(tǒng)中，其任意元件的尺寸不穩(wěn)定都可能導致其質(zhì)心的偏移 ，而質(zhì)心的偏移本 身將會產(chǎn)生一個錯誤的信號，這會在制導系統(tǒng)中引入誤差，直接影響制導精度。 在宇航這一應用領域,10- 6乃至10- 7數(shù)量級的微小塑

6、性應變都將成為重要的誤 差來源。薄壁零件加工過程中，由于變形難以保證加工精度，造成材料的浪費和 產(chǎn)品報廢，直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益。 宇航產(chǎn)品為了減輕零件的重 量，形狀大都為高筋薄壁，因裝配的需要，還有部分半環(huán)。這類零件，殘余應力引 起的殘余變形的后果是非常嚴重的。這種或大或小、或拉或壓的殘余應力即使只 產(chǎn)生在很薄的表面層中，但卻在很大程度上影響零件的強度、硬度、疲勞強度、 抗腐蝕性等，從而進一步影響機械產(chǎn)品的使用壽命。殘余應力問題一直受到人們的關注。在機械加工過程中，外力和溫度變化引 起的不均勻塑性變形是產(chǎn)生殘余應力的主要原因。 在鑄造、鍛造、焊接及各類切 削加工過程中，工件均會由

7、于受外力和溫度的作用而引起殘余應力。殘余應力的 產(chǎn)生、疊加及釋放過程造成零件內(nèi)部應力狀況的重新分布，就可能影響零件的尺寸和形位精度以及零部件的裝配精度，降低零件的抗疲勞強度、抗應力腐蝕及抗 蠕變開裂的能力，最終影響到機器設備的性能與使用壽命。因此，分析殘余應力 的產(chǎn)生機理、探究有效的殘余應力測試方法與改善零件中殘余應力狀況具有非常 重大的意義。事實上，在各工業(yè)領域如機械、水利水電、熱電核電、航空航天、 石油化工、冶金、鐵路、交通等行業(yè)，殘余應力測試技術及其應用研究始終受到 高度重視，特別是加人世貿(mào)組織以來，為了與國際接軌，殘余應力測試已成為許 多行業(yè)必需的檢驗和控制手段。2殘余應力的消除方法由

8、于殘余應力會對構件質(zhì)量產(chǎn)生諸多不良影響， 故相關專業(yè)人士對如何消除 展開了諸多研究并且系統(tǒng)化提出了消除和控制構件中殘余應力的方法。 殘余應力 消除的方法一般有以下幾種，各種方法效果也不盡相同。（1 ）機械拉伸法消除應力的原理是將淬火后的合金板材，沿軋制方向施加 一定量的永久拉伸塑性變形，使拉伸應力與原來的淬火殘余應力疊加后發(fā)生塑性 變形，使殘余應力得以緩和與釋放（2）振動消除殘余應力法的工作原理是用便攜式強力激振器，使金屬結構 產(chǎn)生一個或多個振動狀態(tài)，從而產(chǎn)生如同機械加載時的彈性變形，使零件內(nèi)某些 部位的殘余應力與振動載荷疊加后， 超過材料的屈服應力引起塑性應變， 從而引 起內(nèi)應力的降低和重新

9、分布。（3）脈動法通過在零件上施加一定載荷和頻率，呈周期變化的循環(huán)載荷， 可以有效釋放零件的殘余應力。（4）時效消除法，一般有以下幾種。自然時效，將構件露天放置于室外， 經(jīng)過幾個月甚至幾年的時間使殘余應力發(fā)生松弛， 從而使構件尺寸精度獲得穩(wěn)定。 該方法簡單易行，但生產(chǎn)周期長，不易管理，不能及時發(fā)現(xiàn)構件內(nèi)的缺陷，而且 只能降低少量的殘余應力。人工熱時效，熱時效工藝要求比較嚴格，升溫和降 溫的速度對熱時效的效果影響很大。 該法是目前生產(chǎn)中應用最廣泛、效果最好的 一種應力消除方法。但耗能大、成本高且污染嚴重；同時時效溫度的提高，將使 金屬內(nèi)部強化相析出過多，必然明顯降低強度指標，產(chǎn)生過時效現(xiàn)象，因此

10、，淬火后時效處理通常在較低溫度（小于200250 C）下進行，因而影響了應力消除 效果（僅為1035 %）。振動時效，它是在激振器的周期性外力（激振力）的作 用下，使構件共振，進而松弛殘余應力，提高構件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的 方法。該法成本低、設備簡單、時間比較短，可避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn) 生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。已在生產(chǎn)上得到一定的應用。 聲波時效法，超聲波時效法首先在前蘇聯(lián)誕生， 并在發(fā)達國家得到推廣。該方法 起先主要應用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應力非常嚴格的軍事領域。但 是由于超聲波法只能解決構件表層一定深度內(nèi)的應力問題，所以相對應用環(huán)境較窄，且成本頗

11、高。熱沖擊時效法，其實質(zhì)就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應力正好與殘余應力疊加， 超過材料的屈服極限引起塑性變形，從 而使原始殘余應力很快松弛并穩(wěn)定化。（5）深冷處理法，按工藝可劃分為深冷急熱法與冷熱循環(huán)法兩種。其中深冷急熱法是將含有殘余應力的零件浸入液氮中深冷，待內(nèi)外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射，通過急熱與急冷產(chǎn)生方向相反的熱應力，借以抵消原來的殘余應 力場。（6）脈沖磁場消除殘余應力，MPS公司開發(fā)出一項以非熱方式消除金屬中殘余應力的技術，稱之為脈沖磁處理 （Pulsed Mag netic Treatme nt, PMT ）。借助PMT，可使金屬中的組織缺陷得到改善，從而使

12、零件中的殘余應力得以消除。從微觀分析的角度來說，PMT對提高或改善金屬零件的尺寸穩(wěn)定性； 耐磨性與耐 蝕性也有作用，對金屬材料的磁滯后特性、疲勞、擴散以至相變等特性也會產(chǎn)生 重大影響，該技術在冷拔管材、焊接件、絲材和彈簧等制品的殘余應力消除應用 中，已獲得飛速發(fā)展。（7）爆炸法。是利用爆炸沖擊波的能量使構件應變區(qū)產(chǎn)生塑性變形，從而 達到降低或消除殘余應力的目的。 該法常用于焊接構件，爆炸處理不僅可以完全 消除焊接區(qū)殘余拉應力，根據(jù)需要還可以在焊接區(qū)造成殘余壓應力。（8 ）其它方法，打壓法、錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強化是行之有效、應 用廣泛的強化零件的手段，噴丸的同時也改變了表面殘余應力狀態(tài)和分

13、布，而噴 丸產(chǎn)生的殘余壓應力又是強化機理中的重要因素。上述方法中外機械拉伸（壓縮）法可達90 %左右，恒溫時效法1035 %，振 動消除法2070 %，深冷處理法25 %83 %。因此，現(xiàn)有工藝技術與方法尚 無法從根本上消除合金結構件鍛件毛坯中的殘余應力3殘余應力的測定與評估實際生產(chǎn)中，準確把握構件的殘余應力的分布十分必要，一般可通過計算或 直接實驗測定得到。欲了解構件殘余應力的分布，特別是一些比較復雜構件的殘 余應力分布，采用計算方法有時將遇到種種困難，臀如有時因缺乏材料的一些機 械性質(zhì)與物理性質(zhì)的有關信息而導致計算工作無法進行。 因此，采用實驗測試方 法是有實用意義的。殘余應力的測試方法很

14、多，按其對于被測構件是否具有破壞性而言， 可分為 有損檢測（包括部分損壞檢測法和全部損壞檢測法）與無損檢測兩大類。3.1無損檢測法有損檢測法主要有鉆孔法、取條法、切槽法、環(huán)芯法、剝層法、剖面法與裂 紋法，目前應用最多的是鉆孔法和環(huán)芯法， 該方法是部分或全部的去掉測點周圍 的材料組織即去掉了對該點的約束， 使應力全部或部分釋放。實際操作中是將欲 測構件，利用機械加工的方法（如鉆孔等），使其因釋放部分應力而產(chǎn)生相應的位 移與應變，盆測這些位移或應變經(jīng)換算，得知構件加工處原有的應力。因此， 這種測試方法又稱為機械側試法或應力釋放法。3.1.1鉆孔法鉆孔法在我國又稱為小孔法或盲孔法經(jīng)多人的研究與改進，

15、現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成 為一項比較成熟的通過鉆小孔測量構件殘余應力的方法和技術。其基本思想是在具有殘余應力的構件上鉆一小孔，使孔的領域內(nèi)由于部分應力釋放而產(chǎn)生相應的 位移和應變，測量這些位移或應變，經(jīng)換算得到轉孔處的原有的應力。 它在工程 上得至廣泛應用，其最大特點是對試件損傷小，甚至不影響構件的正常使用。假 定一塊各向同性的平板中存在某一殘余應力， 若鉆一小孔，孔邊的徑向應力下降 為零，孔區(qū)附近應力重新分布，該應力的變化稱為釋放應力。由應變計感受其應 變，應變計離孔邊愈近，則感受的應變愈大，靈敏度也愈高。通常表面殘余應力 是平面應力狀態(tài)，兩個主應力和主方向角共三個未知數(shù)， 要求用三個應變敏感柵 組成

16、的應變花進行測量，每個敏感柵的中心布置在同一半徑上。盲孔法是目前工程上最常用的殘余應力測量方法，美同ASTM協(xié)會已將其納入標準。近年來各國研究者繼續(xù)對盲孔法作了大量的研究工作，從實際操作中的各種工藝岡素、誤差來源等方面進行了深入分析， 使其日趨完善。由于盲孔法的 計算公式是根據(jù)通孔的簡化力學模型推導出的，與實際情況存在偏差，對此，一般采用有限元數(shù)值分析的方法，分別對不同尺寸、形狀的盲孔周圍的應力分布情 況進行計算，得出孔徑深比及孔緣孔底形狀對釋放應力的影響，避免Kirsch通孔解所帶來的誤差，同時又可省去大量人工實驗標定的繁瑣。由于在鉆孔過程中， 鉆頭使孔壁經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和切斷過程，

17、因而在孔壁周圍由于局部塑 性變形而產(chǎn)生附加應力場，使粘貼在該區(qū)域內(nèi)的應變片感受到附加應變， 其大小 受孔徑、孔深、鉆進速度、鉆頭類型、鉆刃鋒利程度、應變片尺寸及其到盲孔中 心的距離等因素的影響。3.1.2環(huán)芯法環(huán)芯法是部分損壞檢測法，也稱部分釋放法，在我國又稱為圓環(huán)法、切槽法。 方法是用一種皇冠形銑刀加工出一個圓環(huán)形槽， 中間為一個環(huán)芯。加工出的環(huán)芯 應該是應力對它的作用最小，釋放出的應變最大。用特制的應變花來測量環(huán)芯部 位釋放出的應變，通過相應的公式計算，即可得到該部位的殘余應力大小和方向。環(huán)芯法是在待測工件表面用皇冠形銑刀加工出一個環(huán)形槽，將其中的環(huán)芯部 分從工件本體分離開來，殘留在環(huán)芯中

18、的應力同時被釋放出來這種方法是利用材 料的彈性變形即應力釋放效果測量內(nèi)部應力。 用改進后的特殊應變計來測量環(huán)芯表面產(chǎn)生的應變。由測得結果及計算公式可知面各個方向的應變是槽深Z的函數(shù)3.1.3剝層法其工作原理為：當從含有殘余應力的平板上去除一層材料時，其內(nèi)部殘余應力將不再平衡，當它重新平衡時將導致平板變曲，平板彎曲的曲率取決于被去除 掉的那層材料的原來的殘余應力分布和遺留部分材料的彈性性能。通過逐層去除并測量其去除后的曲率，平板的原始殘余應力分布就可通過計算得到，常用于測定幾何形狀簡單的試件的殘余應力，測試過程快捷。剝層法僅適合于平板類樣品， 可用于測量內(nèi)部宏觀殘余應力，但不能用于表面應力或近表

19、層內(nèi)力的測量。3.2無損檢測法無損檢測法主要有X射線衍射法，中子衍射法、同步衍射法、超聲波法和磁 性法，其中X射線衍射法又包括普通X射線衍射法和硬X射線衍射法（或同步衍射 法）。這些均是利用材料中殘余應力狀態(tài)引起的某種物理效應，建立起某一物理 量與殘余應力（或應變）問的關系，通過測定這物理量推算出殘余應力來。X射線 的原理與中子衍射相似，由于X射線的波長較大，其探測深度和精度不及中子衍 射，但X射線源較中子源易于獲得，因此工業(yè)上X射線的應用遠較中子衍射為廣。 因此X射線衍射法的工程上最為應用廣泛，其余方法理論上尚不夠完善，或者相 應的測試設備比較稀缺，工程應用受到限制。3.2.1 X射線衍射法

20、盲孔法盡管是最常用的殘余應力檢測方法， 但卻或多或少會對構件造成損傷， 這在很多情況下是不被允許的，例如對于壓力容器，就絕不允許破損。這使得人 們必須去研究別的檢測方法，其中，X射線法較為成熟，在已經(jīng)發(fā)展出的眾多無 損檢測多晶體材料表面殘余應力的方法中， X射線最可靠、成熟，其實用性為各 界所公認。X射線衍射法的基本原理是通過測量晶體結構的變化來測量變化來測 量應變的變化來測量應變。X射線穿透能力有限，因而僅能測量材料與制品淺表 層范圍內(nèi)的平均二維應力，該法的主要缺點是尺寸和幾何形狀有很大限制。組成金屬材料的晶粒是由一定晶體結構的無數(shù)晶胞組成的， 在其被測區(qū)域的 X光照射面積內(nèi)含有足夠多的晶粒

21、，且各晶粒的晶體學取向是充分紊亂的，以至 采用任意指數(shù)的晶面參與衍射，都有足夠多的相同晶面指數(shù)的晶面參與衍射。 當 金屬受到力的作用時就會發(fā)生應變，晶粒中的不同晶面指數(shù)的晶面應變各不相同。 只要知道了晶粒內(nèi)特定晶面族面間距的變化， 經(jīng)布拉格方程就可得到應變量的大 小，然后根據(jù)胡克定律即可求得應力值。X射線測殘余應力一般有以下特點：速度快，準備工作簡單；理論成熟， 精度高，結果可靠；非破壞性測量，對金屬構建的性能損害小，表面應力測量 時屬無損檢測，必須剝層測內(nèi)部應力時，屬有損檢測；無需制備樣品能夠直接 測量；可測量指定點的應力分布情況； 一定條件下，可測定復相材料中某一 指定相的應力；測材料彈性

22、應變時往往是彈性應變和范性應變之和。由于X射線衍射法的無損性，這種方法向來在焊接結構殘余應力測量中的應用研究十分廣 泛。X射線法由于是通過直接測量晶體的原子間距來得到構件的變形信息，具有 較高的精度。然而，這種方法對粗晶等材料的測試目前尚有困難，某些材料很難 找到衍射面，X射線測試設備也比較復雜。由于穿透深度極淺，在測內(nèi)部應力時 必須剝層。例如為研究大鍛件淬火殘余應力的形成和分布規(guī)律， 就屬于有損檢測。硬X射線法又稱同步衍射法，它與傳統(tǒng)的X射線法相比較，其主要優(yōu)勢除了 穿透深度高得多以外，它還能提供窄縫高能束，且測量速度比 X射線法快。同步 衍射實驗設備也非常稀缺，僅限于若干歐美國家實驗室，國

23、內(nèi)尚無該方面的研究 報道。這種設備的稀缺限制人們將其用于日常的科學研究與測試工作。322中子衍射法中子衍射法主要是利用材料晶格常數(shù)的變化來推算出物體的應力狀態(tài)。中子衍射通常指德布羅意波長為約1埃左右的中子（熱中子）通過晶態(tài)物質(zhì)時發(fā)生的 布拉格衍射。當在目前，中子衍射方法是研究物質(zhì)結構的重要手段之一。中子衍射的基本原理和X射線衍射十分相似，其不同之處在于： X射線是與電子相 互作用，因而它在原子上的散射強度與原子序數(shù)成正比，而中子是與原子核相互 作用，它在不同原子核上的散射強度不是隨值單調(diào)變化的函數(shù)，這樣，中子就特別適合于確定點陣中輕元素的位置（X射線靈敏度不足）和值鄰近元素的位置（X 射線不易

24、分辨）；對同一元素，中子能區(qū)別不同的同位素，這使得中子衍射在 某些方面，特別在利用氫-氘的差別來標記、研究有機分子方面有其特殊的優(yōu)越 性；中子具有磁矩，能與原子磁矩相互作用而產(chǎn)生中子特有的磁衍射，通過磁衍射的分析可以定出磁性材料點陣中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁結構的極為重要的手段；一般說來中子比 X射線具有高得多的穿透性， 因而也更適用于需用厚容器的高低溫、高壓等條件下的結構研究。中子衍射法的工作原理與其他衍射法一樣， 也是根據(jù)多晶體材料內(nèi)部彈性變 形引起的晶粒削距相對于無應力狀態(tài)時的變化量進行應力測定的。其測量方法也是與射線法是一樣的。中子法的最大優(yōu)勢是比 X射法可以得到

25、很大的穿透深度， 同時具有很高的空間分辨率，從而通過移動與轉動被測試件來實現(xiàn)的能夠完全繪 制工程零部件的三維應變圖。然而，它的缺點是需要特殊的強中子源，并且由于源強不足而常需較大的樣品和較長的數(shù)據(jù)收集時間，測試成本太高，中子衍射設 備非常稀缺，僅限于若干歐美國家實驗室，國內(nèi)尚無該方面的研究報道。323超聲波法超聲波法是利用聲雙折射現(xiàn)象的。一般一個在媒質(zhì) 1中的超聲縱波以一定傾 斜角度入射，通過兩媒質(zhì)的介面向媒質(zhì)2內(nèi)傳遞時，它將分解成兩個縱波和兩個 橫波。但當入射波是沿垂直于各向同性介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，可以證明它將形成兩個純粹與入射波同類型的波。這個規(guī)律為利用超聲波測定殘余應力提供了理論根據(jù) 和實驗

26、基礎。一個各向同性固態(tài)介質(zhì)，在應力的作用下是具有聲彈性的（和磁性相似）。即在有應力的情況下，由于應力的方向和大小的不同，從而使在固態(tài)介 質(zhì)中的超聲波傳遞速度發(fā)生了變化， 也就是由于應力的存在引起了各向異性。 當 應力為平面應力狀態(tài)且超聲波又以垂直于應力平面方向傳播時。超聲波僅只分解成兩個方向的超聲波（反射波和折射波）。超聲波法正是采取某種手段測定應力引 起的聲雙折射、聲傳播速度變化及超聲頻譜變化，測量出這些變化以后便可計算 出作用在物體上的外力或殘余應力。超聲波測定殘余應力有很多優(yōu)點：能無損測定實際構件的表面應力和內(nèi)部 應力；可以不接觸實際構件進行應力測量，不會損傷構件表面，使用安全、無 公害；超聲測量儀器方便攜帶到室外或現(xiàn)場使用，特定條件下可一機多用。但是目前超聲波法仍處于試驗研究階段， 還存在許多問題：測定的結果要受到材 料性能、工件形狀和組織結構的干擾較大； 同時測量應力急劇變化、形狀復雜 和受三向應力的實際構件時還存在許多問題； 聲波波長太長，利用干涉法目前 還難實現(xiàn)，測量的靈敏度較低為了測定介質(zhì)中的聲速變化，必須用高