殘余應(yīng)力是什么，它有哪些危害呢？

殘余應(yīng)力是指在沒有對物體施加外力時(shí)，物體內(nèi)部存在的保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)。其產(chǎn)生原因就是零件的某些部位和形狀產(chǎn)生了某些變化的結(jié)果。用能量作功的方法可以加深對殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)：外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當(dāng)外力消除以后，應(yīng)力不均勻的能量要施放出來，引起了零件緩慢地變形，即殘余應(yīng)力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來為止，變形結(jié)束。

殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，有內(nèi)應(yīng)力的工件，是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部的組織有強(qiáng)烈地恢復(fù)到?jīng)]有內(nèi)應(yīng)力的穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。工件的形狀逐漸發(fā)生改變（如翹曲變形）從而喪失其原有精度。如果將存在內(nèi)應(yīng)力的工件裝配到機(jī)器中，則會(huì)因其在使用中的變形而破壞整臺(tái)機(jī)器的精度。

殘余應(yīng)力的來源

外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功，以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當(dāng)外力消除以后，應(yīng)力不均勻的能量就會(huì)釋放出來，使零件緩慢地變形，即殘余應(yīng)力作功，直到能量全部釋放出來為止。在機(jī)械制造中，各種工藝過程往往會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為：

（1）不均勻的塑性變形；

（2）不均勻的溫度變化；

（3）不均勻的相變。

殘余應(yīng)力的分類

按應(yīng)力產(chǎn)生的原因分類有：

(1) 熱應(yīng)力

鑄件各部分的薄厚是不一樣的，例如機(jī)床床身導(dǎo)軌部分很厚，而側(cè)壁筋板部分較薄。鑄造后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大，因而產(chǎn)生的拉壓也大。這時(shí)，鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)，其壓應(yīng)力使厚壁部分變厚，拉應(yīng)力使薄壁部分變薄，拉壓應(yīng)力，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻時(shí)，當(dāng)薄壁部分進(jìn)入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時(shí)，壓應(yīng)力使厚壁部分產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)變厚。而薄壁部分僅發(fā)生彈性拉長，這時(shí)拉壓應(yīng)力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續(xù)冷卻，當(dāng)薄厚壁部分進(jìn)入彈性區(qū)時(shí)，由于厚壁部分溫度高，收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮，故薄壁受壓應(yīng)力，厚壁受拉應(yīng)力。應(yīng)力方向發(fā)生了變化。這種作用一直持續(xù)到室溫，結(jié)果在常溫下厚壁部分受拉應(yīng)力，薄壁部分受壓應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應(yīng)力。

在導(dǎo)軌或側(cè)壁的同一個(gè)截面內(nèi)，表層與內(nèi)心部，由于冷卻快慢不同，也產(chǎn)生相互平衡拉壓的應(yīng)力，用類似于上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力，并且截面越大，應(yīng)力越大，此應(yīng)力也叫熱應(yīng)力。

(2) 相變應(yīng)力

常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，由結(jié)晶過程可知①：厚壁部分在1153℃共晶結(jié)晶時(shí)，析出共晶石墨，產(chǎn)生體積膨脹 ，薄壁部分阻礙其膨脹，厚壁部分受壓應(yīng)力，薄壁部分受拉應(yīng)力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變?yōu)槭芾瓚?yīng)力。而薄壁與其相反。在共析(738℃)前的收縮中，薄厚壁均處于塑性狀態(tài)，應(yīng)力雖然不斷產(chǎn)生， 但又不斷被塑性變形所松弛，因此應(yīng)力并不大。當(dāng)降到738℃時(shí)，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由面心立方，變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)(即γ-Fe變?yōu)閍-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同時(shí)有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應(yīng)力。上述的兩種應(yīng)力，是在1153℃ 和738℃兩次相變而產(chǎn)生的，叫相變應(yīng)力。相變應(yīng)力與冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力方向相反， 相變應(yīng)力被熱應(yīng)力抵消。在共析轉(zhuǎn)變以后，不再產(chǎn)生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應(yīng)力起主要作用。

(3) 收縮應(yīng)力(亦叫機(jī)械阻礙應(yīng)力)

鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口等的阻礙作用而產(chǎn)生的應(yīng)力叫收縮應(yīng)力。由于各部分由塑性到彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變有先有后，型芯等對收縮的阻力將在鑄件內(nèi)造成不均勻的的塑性變形，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。收縮應(yīng)力一般不大，多在打箱后消失。

按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通?？蓪⑵浞譃槿N：

①　第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)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(yīng)力平衡范圍包括整個(gè)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(chǎn)生了塑性變形時(shí)，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應(yīng)力，短邊為張應(yīng)力。這類殘余應(yīng)力所對應(yīng)的畸變能不大，僅占總儲(chǔ)存能的0.1%左右。

②　第二類內(nèi)應(yīng)力，又稱微觀殘余應(yīng)力，它是由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻性產(chǎn)生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當(dāng)，即在晶?；騺喚ЯＶg保持平衡。這種內(nèi)應(yīng)力有時(shí)可達(dá)到很大的數(shù)值，甚至可能造成顯微裂紋并導(dǎo)致工件破壞。

③　第三類內(nèi)應(yīng)力，又稱點(diǎn)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(diǎn)陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯(cuò)等）引起的。變形金屬中儲(chǔ)存的絕大部分能量（80%~90%）用于形成點(diǎn)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(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，故它有一種使變形金屬重新恢復(fù)到具有最低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自發(fā)趨勢，并導(dǎo)致塑性變形金屬在加熱時(shí)的恢復(fù)及再結(jié)晶過程。

殘余應(yīng)力對機(jī)械零部件的影響

（1）引起物體尺寸和形狀的變化。當(dāng)在變形物體內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，則物體將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應(yīng)力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應(yīng)的變形也會(huì)發(fā)生變化，引起物體尺寸和形狀改變。

（2）縮短零件的使用壽命。因殘余應(yīng)力本身是相互平衡的，所以當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體受載荷時(shí)，在物體內(nèi)有部分的工作應(yīng)力，為外力所引起的應(yīng)力與此殘余應(yīng)力之和，有部分為其差，這樣就會(huì)造成應(yīng)力在物體內(nèi)的分布不均。此時(shí)，工作應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，物體將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，物體就會(huì)產(chǎn)生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。

（3）降低了金屬的塑性、沖擊韌性。當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體繼續(xù)進(jìn)行塑性加工時(shí)，由于殘余應(yīng)力的存在可加強(qiáng)物體內(nèi)的應(yīng)力和變形的不均勻分布，提高金屬的變形抗力，降低塑性。

（4）降低金屬的耐蝕性和疲勞強(qiáng)度等。由于零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其處于高能量狀態(tài)，易與氧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，造成腐蝕，即應(yīng)力腐蝕，從而降低了零件的耐蝕性，殘余應(yīng)力還改變了材料表面受載時(shí)的應(yīng)力分布，降低了疲勞強(qiáng)度。

殘余應(yīng)力對零件切削加工影響

對切削加工過程的影響車削零件的毛坯，一般為鑄件、鍛件、型材和經(jīng)過熱處理的半成品，由于毛坯在形成的過程中，有過溫度的劇烈變化及受力變形，因此內(nèi)部具有殘余應(yīng)力，在切削時(shí)形狀發(fā)生變化，原應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致了切削過程的變形。

1.產(chǎn)生切削殘余應(yīng)力

金屬的切削，實(shí)質(zhì)上是工件受刀具的擠壓和摩擦，使工件表面產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，切削從母體分離的過程。在切削過程中，工件受到切削力，產(chǎn)生切削熱而使切削溫度上升，切削完成后，工件的已加工表面即產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件在后續(xù)使用中發(fā)生變形，精度降低，使用性能和下降，使用壽命縮短。

2.影響殘余應(yīng)力的因素

（1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件溫度上升，殘余應(yīng)力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，殘余應(yīng)力也越大。

（2）刀具角度。增大刀具的前角，刃傾角，可使刀具鋒利，減小切削力。

（3）切削液。切削液具有潤滑和冷卻作用，在加工中使用切削液，可減小切削力和降低切削溫度，從而減小殘余應(yīng)力。

減小和消除殘余應(yīng)力的措施和方法

1. 采用合理的工藝結(jié)構(gòu)

在零件的設(shè)計(jì)時(shí)，采用合理的工藝結(jié)構(gòu)，避免厚薄不勻，尖角結(jié)構(gòu)等，鑄件宜使用鑄造圓角。

2. 合理安排工藝路線

對于精密零件，粗、精加工分開。對于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一個(gè)工序內(nèi)進(jìn)行，故粗加工后先將工件松開，使其自由變形，再以較小的夾緊力夾緊工件進(jìn)行精加工。

3. 采用合理的切削條件

在零件的精加工時(shí)，使用較小的切削和走刀量以及較高的切削速度，使用鋒利的刀具和使用切削液進(jìn)行潤滑冷卻，以減小切削力和降低切削溫度，減小殘余應(yīng)力。

4.采取時(shí)效處理技術(shù)

（1）自然時(shí)效處理。是指將焊接工件放置在自然環(huán)境中，依靠材料內(nèi)部自身的弛豫過程逐漸減小殘余應(yīng)力的方法。消耗時(shí)間長，且效果不穩(wěn)定，不適用于所有材料和情況。

（2）熱時(shí)效處理。這是目前經(jīng)常使用的一種方法，但其投資和能源消耗都較大，使生產(chǎn)成本增加，而且精加工后零件進(jìn)行加熱時(shí)效，有可能產(chǎn)生氧化而影響表面品質(zhì)。

（3）振動(dòng)時(shí)效處理。這是消除殘余應(yīng)力、減少變形、保持工件尺寸穩(wěn)定的一種新方法?？捎糜阼T造件、鍛件、切削加工工件等。它是以激振的形式，將機(jī)械能加到含有大量殘余應(yīng)力的工件內(nèi)，引起工件金屬內(nèi)部晶格錯(cuò)位蠕變，使金屬的結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定，以減少和消除工件的內(nèi)應(yīng)力。不需龐大的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)簡便，效率高。交流頻譜諧波時(shí)效技術(shù)是在此機(jī)床上的發(fā)展，能消除60-70%的應(yīng)力，在穩(wěn)定尺寸和形狀精度上非常有效。