殘余應力是指材料、構件或零部件在無外力作用時,內部自身保持平衡的應力。它是材料在加工制造(如鑄造、鍛造、焊接、切削加工、熱處理等)或使用過程中,因不均勻的塑性變形、相變、溫度變化或外部載荷去除后未能完1全釋放的應力,以自平衡狀態存在于材料內部。
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。
裝配與使用過程
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?;騺喚Я3叨龋瑧υ诰Яig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)。
按應力性質分類
測量方法分為
無損檢測(如超聲波法、磁測法、中子衍射法)和
有損檢測(如鉆孔法、剝層法),具體選擇需根據材料類型、應力深度、精度要求等確定(詳見
殘余應力測量方法介紹)。
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。
殘余應力的研究對航空航天、機械制造、能源等領域的質量控制和可靠性提升具有重要意義,例如通過控制殘余應力可延長零部件壽命、減少故障風險