残余应力分类与评估

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1、1 残余应力 1.1.1 残余应力的定义及分类1.1.2 残余应力的本质1.1.3 残余应力的影响 1.2 残余应力的消除方法 3.3 残余应力的测定与评估4.3.1 无损检测法 5.3.1.1 钻孔法 5.3.1.2 环芯法 6.3.1.3 剥层法 6.3.2 无损检测法 6.3.2.1 X 射线衍射法 7.3.2.2 中子衍射法 7.3.2.3 超声波法 8.3.2.4 磁测法 9.1 残余应力1.1 残余应力的定义及分类构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、 装配等， 将受到来自各种工艺等因素的作用与影响， 会使工件内部出现不同程度的应力， 当这些因素消

2、失之后， 若构件所受到的上述作用于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称为残留应力或残余应力。 可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时， 在物体内部保持平衡而存在的应力。 残余应力是一种固有应力， 按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类： 宏观残余应力， 又称第一残余应力， 它是在宏观范围内分布的， 它的大小、 方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量； 微观残余应力属于显微事业范围内的应力， 依其作用的范围细分为两类， 即微观结构应力 （又称第二类残余应力， 它是在晶粒范围内分布的） 和晶内亚结构应力 （又称为

3、第三类残余应力， 它是在一个晶粒内部作用的） 。1.2 残余应力的本质一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的， 是材料内部不均匀塑形变形的结果， 其本质是晶格畸变， 晶格畸变很大程度上是由位错引起的。 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力， 但是， 如果从本质上讲， 残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化， 形成了不均匀的变形， 金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。 产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。如金属合金在淬火过程中 ,内部形成很大的残余应力 , 机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态, 所以零件产生变形。当零件刚性较大

4、, 形状对称时, 变形较小。反之 , 则变形十分明显。在工件内部实际应力的情况是复杂的， 有众多位错的相互作用， 还有空位等点缺陷及晶界、 亚晶界的影响， 所以， 实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。1.3 残余应力的影响机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。低碳钢在硝酸盐中的“硝脆” ，奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆” ，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆” ，黄铜在带有氨气气氛中的 “氨脆” 等等属于应力腐蚀开裂， 所有这些应力腐蚀主要是由于残余应力引起的。尺寸稳定性是表示材料在热处理与加工完毕后， 在工作环

5、境下不受外力作用或在低于弹性极限的应力作用下抵抗永久变形的能力以及在加工过程中保持尺寸不变的能力。 一般认为， 长期存放过程中金属尺寸的自发变化是以下因素的结果： 材料的相与组织状态的不稳定性； 在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在机械装配操作时零件中发生残余内应力的松弛； Paquin 等认为性能的不均匀性即各向异性材料导致材料在加热过程中诱发残余应力的松弛， 也是尺寸不稳定性的一个内应。 在仪器仪表制造业、 航空工业中以及宇航工业， 构件的尺寸稳定性性能越来越难以适应现代精密仪表设计的要求。 在一个高精度的陀螺和罗经系统中 , 其任意元件的尺寸不稳定都可能导致其质心的偏移 , 而质心的偏移

6、本身将会产生一个错误的信号, 这会在制导系统中引入误差 , 直接影响制导精度。在宇航这一应用领域,10- 6 乃至10- 7数量级的微小塑性应变都将成为重要的误差来源。 薄壁零件加工过程中， 由于变形难以保证加工精度， 造成材料的浪费和产品报废，直接影响到企业的生产效率及经济效益。宇航产品为了减轻零件的重量形状大都为高筋薄壁, 因装配的需要, 还有部分半环。这类零件 , 残余应力引起的残余变形的后果是非常严重的。 这种或大或小、 或拉或压的残余应力即使只产生在很薄的表面层中，但却在很大程度上影响零件的强度、硬度、疲劳强度、抗腐蚀性等，从而进一步影响机械产品的使用寿命。残余应力问题一直受到人们的

7、关注。 在机械加工过程中， 外力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。 在铸造、 锻造、 焊接及各类切削加工过程中， 工件均会由于受外力和温度的作用而引起残余应力。 残余应力的产生、 叠加及释放过程造成零件内部应力状况的重新分布， 就可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度， 降低零件的抗疲劳强度、 抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力， 最终影响到机器设备的性能与使用寿命。 因此， 分析残余应力的产生机理、 探究有效的残余应力测试方法与改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。事实上，在各工业领域如机械、水利水电、热电核电、航空航天、石油化工、冶金、铁路、交通等行业，残余应

8、力测试技术及其应用研究始终受到高度重视， 特别是加人世贸组织以来， 为了与国际接轨， 残余应力测试已成为许多行业必需的检验和控制手段。2 残余应力的消除方法由于残余应力会对构件质量产生诸多不良影响， 故相关专业人士对如何消除展开了诸多研究并且系统化提出了消除和控制构件中残余应力的方法。 残余应力消除的方法一般有以下几种，各种方法效果也不尽相同。（ 1）机械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的合金板材，沿轧制方向施加一定量的永久拉伸塑性变形， 使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形，使残余应力得以缓和与释放。（ 2）振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器，使金属结构产生一个或多个

9、振动状态， 从而产生如同机械加载时的弹性变形， 使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后， 超过材料的屈服应力引起塑性应变， 从而引起内应力的降低和重新分布。（ 3）脉动法通过在零件上施加一定载荷和频率，呈周期变化的循环载荷，可以有效释放零件的残余应力。（ 4） 时效消除法， 一般有以下几种。 自然时效， 将构件露天放置于室外，经过几个月甚至几年的时间使残余应力发生松弛， 从而使构件尺寸精度获得稳定。该方法简单易行，但生产周期长，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，而且只能降低少量的残余应力。 人工热时效， 热时效工艺要求比较严格， 升温和降温的速度对热时效的效果影响很大。 该法是目前生产中

10、应用最广泛、 效果最好的一种应力消除方法。但耗能大、成本高且污染严重；同时时效温度的提高，将使金属内部强化相析出过多，必然明显降低强度指标，产生过时效现象，因此，淬火后时效处理通常在较低温度（小于200250c）下进行，因而影响了应力消除效果（仅为1035% ）。振动时效，它是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定的方法。该法成本低、设备简单、时间比较短，可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。已在生产上得到一定的应用。声波时效法， 超声波时效法首先在前苏联诞生， 并在发达国家得到推广。 该方法起先

11、主要应用于船舶、 核潜艇、 航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。 但是 由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题， 所以相对应用环境较窄，且成本颇高。 热冲击时效法， 其实质就是将工件进行快速加热， 使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加， 超过材料的屈服极限引起塑性变形， 从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。（ 5）深冷处理法，按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法两种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入液氮中深冷， 待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射， 通过急热与急冷产生方向相反的热应力， 借以抵消原来的残余应力场。（ 6）脉冲磁场消除残余应力，MPS 公司开发出一项

12、以非热方式消除金属中残余应力的技术，称之为脉冲磁处理（ Pulsed Magnetic Treatment, PMT ） 。借助PMT ，可使金属中的组织缺陷得到改善 ,从而使零件中的残余应力得以消除。从微观分析的角度来说, PMT 对提高或改善金属零件的尺寸稳定性； 耐磨性与耐蚀性也有作用， 对金属材料的磁滞后特性、 疲劳、 扩散以至相变等特性也会产生重大影响， 该技术在冷拔管材、 焊接件、 丝材和弹簧等制品的残余应力消除应用中已获得飞速发展。（ 7）爆炸法。是利用爆炸冲击波的能量使构件应变区产生塑性变形，从而达到降低或消除残余应力的目的。 该法常用于焊接构件， 爆炸处理不仅可以完全消除焊接

13、区残余拉应力，根据需要还可以在焊接区造成残余压应力。（ 8）其它方法，打压法、锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段， 喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布， 而喷 丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。上述方法中外机械拉伸（压缩）法可达90%左右，恒温时效法1035%,振 动消除法2070%,深冷处理法25%83%。因此，现有工艺技术与方法尚无 法从根本上消除合金结构件锻件毛坯中的残余应力。3 残余应力的测定与评估实际生产中， 准确把握构件的残余应力的分布十分必要， 一般可通过计算或直接实验测定得到。 欲了解构件残余应力的分布， 特别是一些比较复杂构件的残

14、余应力分布， 采用计算方法有时将遇到种种困难， 臀如有时因缺乏材料的一些机械性质与物理性质的有关信息而导致计算工作无法进行。 因此， 采用实验测试方法是有实用意义的。残余应力的测试方法很多， 按其对于被测构件是否具有破坏性而言， 可分为有损检测（包括部分损坏检测法和全部损坏检测法）与无损检测两大类。3.1 无损检测法有损检测法主要有钻孔法、取条法、切槽法、环芯法、剥层法、剖面法与裂纹法， 目前应用最多的是钻孔法和环芯法， 该方法是部分或全部的去掉测点周围的材料组织即去掉了对该点的约束， 使应力全部或部分释放。 实际操作中是将欲测构件，利用机械加工的方法（如钻孔等），使其因释放部分应力而产生相应

15、的位移与应变，盆测这些位移或应变.经换算，得知构件加工处原有的应力。因此，这种测试方法又称为机械侧试法或应力释放法。3.1.1 钻孔法钻孔法在我国又称为小孔法或盲孔法经多人的研究与改进， 现在已经发展成为一项比较成熟的通过钻小孔测量构件残余应力的方法和技术。 其基本思想是在具有残余应力的构件上钻一小孔， 使孔的领域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变， 测量这些位移或应变， 经换算得到转孔处的原有的应力。 它在工程上得至广泛应用， 其最大特点是对试件损伤小， 甚至不影响构件的正常使用。 假定一块各向同性的平板中存在某一残余应力， 若钻一小孔， 孔边的径向应力下降为零， 孔区附近应力重新分布， 该应力的变化称为释放应力。 由应变计感受其应变，应变计离孔边愈近，则感受的应变愈大，灵敏度也愈高。通常表面残余应力是平面应力状态， 两个主应力和主方向角共三个未知数， 要求用三个应变敏感栅组成的应变花进行测量，每个敏感栅的中心布置在同一半径上。盲孔法是目前工程上最常用的残余应力测量方法,美同ASTM*会已将其纳