了解各种类型的残余应力

在固体材料中，残余应力是在消除其最初的应力原因后仍保留在其中的应力。残余应力在材料中可能是无用的和有用的。也就是说，它可能是可取的或不可取的。材料中的意外残余应力可能会导致其过早失效，而它可用于钢化玻璃，使智能手机玻璃具有大、薄、抗裂和防刮擦。

今天我们将着眼于定义、应用、类型、原因、影响、图表、控制以及如何测量残余应力。

什么是残余应力？

残余应力是即使在没有外部载荷或热梯度的情况下仍保留在材料中的应力（在焊接部件中很常见）。残余应力会导致显着的塑性变形，从而导致材料变形或翘曲。在某些情况下，它们可能会影响断裂和疲劳的敏感性。

残余应力也被称为金属物体内的锁定应力，即使该物体没有外力。应力可能导致金属的一个区域受到相邻区域的约束而不会收缩、膨胀或释放弹性应变。由于残余应力可以是拉应力或压应力，它们可以在一个组件内共存。

残余应力产生的原因有哪些？

当物体或部件的应力超过其弹性极限时，就会产生残余应力，从而导致塑性变形。塑性变形的原因可能是：

• 高温冷却过程中的相变。
• 搪瓷、电镀 PVD ​​和 CVD 涂层等表面处理。
• 加热和冷却过程中的非均匀塑性变形。
• 化学或结晶顺序的异质性（氮化或表面硬化）
• 机械加工过程中的非塑性变形，例如轧制、成型操作（弯曲或拉拔）、机加工和机械表面处理（喷丸和滚光）。

以下是产生残余应力的三种原因：

热变化：

热变化是当物体从一定温度冷却时，这通常发生在焊接接头中，因为连接处使用了强烈的热量。正因为如此，整个身体的冷却速度存在很大差异，从而导致材料表面和内部的局部变化。这种不同程度的热收缩会在物体内产生不均匀的应力。

在冷却过程中，表面以更快的速度冷却，加热的材料在中心被压缩。虽然材料的中心部分需要时间冷却，但它受到较冷的外部材料的限制。这会导致材料内部有残余拉应力，而材料外部会有残余压应力。

机械加工：

由于塑性变形而产生的残余应力是由机械加工引起的。当材料在进行弯曲、拉伸、挤压、轧制等制造过程时，其横截面的塑性变形是不均匀的。

在变形过程中，材料的一部分是弹性的，另一部分是塑性的。因此，当负载被移除时，材料试图恢复变形的弹性部分。但是，由于相邻的塑性变形材料，它的完全恢复受到抑制。

相变：

相变是导致残余应力的另一种方式。它发生在材料发生相变时，即新形成的相与周围尚未发生相变的材料之间的体积差。这种体积差异会导致材料膨胀或收缩，从而产生残余应力

残余应力有什么影响？

残余应力在某些情况下是有益的，这取决于应力是拉伸的还是压缩的。拉伸残余应力可能大到足以导致材料变形或开裂。此外，疲劳和应力腐蚀开裂需要拉伸应力。这是因为残余应力与施加的应力代数相加。表面残余拉应力与施加的拉应力相结合会降低材料的可靠性。此外，残余拉应力有时足以引起应力腐蚀开裂。

通常，表面残余压应力会降低施加的拉应力的影响。事实上，表面压应力有助于提高疲劳强度和抗应力腐蚀开裂能力。

如前所述，残余应力是正的还是负的，取决于应用。当在某些应用的设计中实施残余应力时，可以获得积极的效果，这可以通过激光喷丸来实现。激光喷丸将压缩残余应力施加到材料表面。这可以使脆性表面增韧或加强薄部分。

通常，残余应力也会导致负面影响。尽管压力对于制造商来说通常是不可见的，但前提是它们会导致严重的变形。结构完整性会受到负面影响，例如焊接厚壁结构比应力消除结构更容易发生脆性断裂。

残余应力的类型

以下是不同类型的残余应力：

拉伸残余应力：

拉伸残余应力会降低疲劳强度并导致疲劳失效。它们通常是产品的副作用，会导致剧烈研磨，从而导致裂纹扩展。它们还可以引入收缩、装配、弯曲或扭转。扭转始终作为残余应力留在铸造部件上，这可能导致部件表面开裂。此外，应力腐蚀开裂是在存在拉伸残余应力的情况下发生的事件。

压缩残余应力：

压缩残余应力提高了疲劳强度和抗应力腐蚀开裂能力。它们可以通过喷丸、激光喷丸、低塑性抛光和自紧等工艺有意形成。材料应变硬化或冷加工材料。大多数情况下，产生压缩残余应力的重要性在于平衡拉伸应力的不利影响。还采用了去应力退火的热处理工艺来降低残余拉应力。

残余应力也可分为三种：

Type-1 残余应力：

这些类型的残余应力被称为宏观残余应力，通常在晶粒中产生。这是由于残余应力平衡的任何变化都会导致宏观尺寸发生变化。引起应变分布不均匀的处理或工艺会产生1型残余应力。

Type-2 残余应力：

Types-2 残余应力是在一个晶粒中产生的微小残余应力。它们可以在不同的谷物中具有不同的尺寸。马氏体转变最能产生这种残余应力。在转变过程中，奥氏体发生了不完全转变。但马氏体的体积大于奥氏体，产生不同形式的残余应力。

Type-3 残余应力：

3型残余应力是在晶粒的几个原子距离内产生的亚微残余应力。它们的形成是由空位、位错等晶体缺陷引起的。

观看下面的视频，了解有关残余应力的更多信息：

如何测量残余应力？

有不同的技术可用于测量残余应力，大致分为破坏性、半破坏性和非破坏性。它们通常根据所需的信息使用。

一起来了解一下这些残余应力测量技术吧！

破坏性：

残余应力的破坏性测量技术是通过破坏被测物体或材料来进行的。它们通常用于研究和开发目的。与无损检测相比，它是一种更便宜的残余应力测量和检测方法。

破坏性测试可以通过两种方式进行：

• 轮廓法

轮廓法通过将物体一分为二并测量它们朝向由切割产生的自由平面的表面高度图来确定残余应力。该方法确定残余应力分布引起的变形，并通过试件的弹性有限元模型了解残余应力的大小。结果是一个与测量平面垂直的残余应力二维图。

• 分切方法

切割方法是用于测量垂直于穿过物体的平面的残余应力的厚度的技术。这涉及在工件厚度上以深度增量切割薄狭缝。测量得到的变形由狭缝深度实现。残余应力是通过厚度位置计算的，该位置是通过使用测量的变形求解反问题来确定的。

半破坏性：

半破坏性残余应力测量技术类似于破坏性类型。这是因为他们使用应变释放原理来确定残余应力。但只有少量材料被移除而不是破坏。它可以让结构更好地保持其完整性。

半破坏性检测也有两种方式：

• 深孔钻孔

深钻孔是通过在材料的厚度上钻孔并测量孔的直径来实现的。在孔周围切割一个圆形槽以从孔周围去除材料芯，然后重新测量孔直径。这里通过几何变化发现残余应力。

• 中心孔钻孔

中心孔钻孔技术是通过在物体上钻一个小孔来完成的。因此，当去除含有残余应力的材料时，剩余材料达到新的平衡状态。与此相关联的是孔周围的变形。在分析过程中，应变仪或光学方法用于测量孔周围的变形。材料中的原始残余应力是由测量的变形计算得出的。

非破坏性：

非破坏性是另一种测量和测试材料残余应力的方法。它涉及测量残余应力与其材料变化之间的关系对晶格间距的影响。

无损方法可以通过三种方式实现：

• 中子衍射

中子用于测量材料中的晶格间距。存在于物体中的中子具有与入射中子相当的能量。这允许从晶格间距确定残余应力。

• 同步辐射X射线衍射

同步加速器用于加速电磁辐射以允许知道材料晶格间距的真实厚度。采用类似中子衍射的方法计算残余应力。

• X射线衍射

由于X射线只能穿透物体表面几百微米，因此采用这种方法可以测量表面残余应力。

如何控制残余应力

控制残余应力在材料上很常见，因为它有利于在应用中要求某种应力。材料暴露在疲劳或应力腐蚀开裂条件下，或者残余应力大到足以导致部件变形或开裂。

控制残余应力可以通过喷丸、轻冷轧和拉伸等机械处理来实现。少量压缩用于在部件表面产生压缩残余应力。消除应力热处理、热处理工艺控制和合金选择是控制残余应力的其他方法。

由于金属屈服强度随着其温度的升高而降低，因此可以通过加热到金属的屈服强度等于或小于残余应力大小的温度来减轻金属的应力。如果发生这种情况，金属会发生微观塑性变形，这将释放至少一部分残余应力。消除应力后，物体内残留的最大残余应力将等于消除应力温度下材料的屈服强度。

通过使用降低的冷却速率来降低温度变化，可以减少残余应力，从而使相变可以在整个组件的横截面上更均匀地发生。好吧，这将基于组件处理的角度。在这种情况下，可选择冷却速度较慢的合金，但仍会发生所需的相变。

结论

残余应力被认为是材料上的位置或负应力。它们可能会发生并降低材料的寿命，并且它们可以有目的地在物体中实施以获得某些残余应力。在本文中，我们了解了残余应力的定义、类型、原因、影响、控制以及如何测量残余应力。

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