殘余應力的產生原因

1. 加工制造過程

• 熱加工：如鑄造、焊接、熱處理時，材料各部位冷卻速度不均，導致收縮或膨脹不一致（如焊接時焊縫區高溫膨脹受周邊低溫區域約束，冷卻后形成拉應力）。

• 機械加工：切削、磨削等工藝會使表面層產生塑性變形，內部彈性變形區域試圖恢復原狀，導致表面形成殘余應力（如磨削常產生表面壓應力）。

• 相變：材料熱處理（如淬火）時，不同區域相變時間或組織轉變不完1全（如馬氏體與奧氏體比容差異），引發內應力。

2. 裝配與使用過程

• 零部件裝配時的過盈配合、冷壓裝配等會引入應力（如齒輪軸與輪轂的過盈配合產生接觸應力）。

• 長期服役中受循環載荷、溫度波動等作用，材料局部發生塑性變形，載荷去除后形成殘余應力。

殘余應力的分類

1. 按作用范圍分類

• 宏觀殘余應力（第一類應力）：作用于材料宏觀區域（如構件整體或較大體積），應力平衡范圍可達毫米級。例如焊接件中沿焊縫長度方向的拉應力。

• 微觀殘余應力（第二類應力）：作用于晶粒或亞晶粒尺度，應力在晶粒間或晶內不同區域平衡，尺度為微米級。例如多晶材料中各晶粒變形不均勻產生的應力。

• 超微觀殘余應力（第三類應力）：存在于原子尺度，由晶格畸變（如位錯、空位等缺陷）引起，影響材料力學性能（如強度、韌性）。

2. 按應力性質分類

• 拉應力：使材料有伸長趨勢的應力（如焊接熱影響區常存在拉應力，易導致裂紋擴展）。

• 壓應力：使材料有壓縮趨勢的應力（如表面噴丸處理可引入壓應力，提高疲勞強度）。

殘余應力的影響

• 積極影響：
  通過工藝手段（如表面噴丸、滾壓）在材料表面引入壓應力，可抵消服役時的拉應力，提高抗疲勞斷裂和應力腐蝕能力（如航空發動機葉片、汽車彈簧的表面強化）。
• 消極影響：

• 導致變形與開裂：宏觀拉應力可能使構件產生變形（如焊接件扭曲）或誘發裂紋（如淬火件因應力過大開裂）。

• 降低力學性能：微觀應力會加劇材料內部損傷積累，加速疲勞失效或腐蝕進程（如橋梁鋼結構的應力腐蝕開裂）。

• 影響尺寸精度：機械加工后的殘余應力可能在后續使用中釋放，導致零部件尺寸精度喪失（如精密齒輪熱處理后的變形）。

殘余應力的測量方法

殘余應力的控制與消除

• 工藝優化：改進加工流程（如焊接時采用對稱施焊、預熱緩冷），減少應力產生源頭。

• 熱處理：通過退火、回火等工藝消除或降低殘余應力（如鑄件的去應力退火）。

• 機械處理：噴丸、振動時效等方法使材料產生微小塑性變形，釋放應力并調整應力分布。

• 數值模擬：利用有限元分析（FEA）預測加工過程中的應力分布，指導工藝參數優化。