《材料成型檢測技術(shù)》1.殘余應力概述01

殘余應力的概念02

殘余應力的分類03

對材料質(zhì)量的影響CONTENTS

總結(jié)PARTONE殘余應力的概念一

、殘余應力的概念(一)殘余應力的定義什么是殘余應力?簡單來說，殘余應力是指材料在沒有外部載荷作用時，內(nèi)部依然存在的應力。它的產(chǎn)生源于材料在加工或使用過程中，內(nèi)部各部分發(fā)生了不均勻的變形

或相變，而這種變形又受到周圍材料的約束，無法自由釋放，最終在內(nèi)部形成了“相互拉扯”的應力狀態(tài)。比如，金屬材料在焊接時，焊縫區(qū)域被高溫加熱后快速冷卻，收縮過程中受到周圍未受熱材料的阻礙，就會在焊縫及附近區(qū)域產(chǎn)生殘余應力；熱處理時，材料內(nèi)部因溫度分布不均導致的相變差異，也會引發(fā)殘余應力；甚至簡單的沖壓、鍛造等塑性加工，因變形程度不同，也會在材料內(nèi)部留下殘余應力。從工業(yè)應用角度看，殘余應力的影響具有“雙面性”:合理利用殘余應力可以提升材料性能，比如對彈簧進行噴丸處理，引入表面殘余壓應力，能顯著提高其疲勞壽命；

但如果殘余應力控制不當，則可能導致零件早期失效，比如大型鑄件因殘余應力釋放而

產(chǎn)生變形，精密儀器因殘余應力導致精度下降。正因如此，掌握殘余應力的分類方法、理解其對材料質(zhì)量的影響機制，成為工程師

和檢測人員必須具備的專業(yè)能力。接下來，我們先從殘余應力的分類開始深入學習。一

、殘余應力的概念(一)殘余應力的定義PART

TWO殘余應力的分類這種分類方式的核心是“作用尺度”——前者影響范圍大，可用宏觀手段檢測；后者局限在微小區(qū)域，需要借助微觀設(shè)備觀察。二、殘余應力的分類根據(jù)殘余應力作用的范圍，我們可以將其分為兩大類：微觀殘余應力宏觀殘余應力二、殘余應力的分類(一)宏觀殘余應力宏觀殘余應力又稱第一類殘余應力，是指在材料宏觀范圍內(nèi)(通常指毫米級及以上)存在的應力，其作用區(qū)域可以是整個零件或構(gòu)件的大部分體積。這類應力的特點是分布相對均勻，且可以通過應力平衡方程計算—整個構(gòu)件內(nèi)部的宏觀殘余應力總和為零，否則構(gòu)件會在無外力作用時發(fā)生宏觀變形。二、殘余應力的分類(一)宏觀殘余應力宏觀殘余應力的產(chǎn)生多與材料的整體不均勻變形或溫度變化有關(guān)比如，熱軋鋼板在冷卻過程中，表面冷卻速度快于內(nèi)部，表面收縮受到內(nèi)部阻礙，會產(chǎn)生殘余拉應力，而內(nèi)部則對應產(chǎn)生殘余壓應力；焊接構(gòu)件中，焊縫區(qū)域的收縮受到母材約束，往往在焊縫

處產(chǎn)生殘余拉應力，周圍區(qū)域則產(chǎn)生殘余壓應力。宏觀殘余應力對構(gòu)件的整體性能影響顯著例如，壓力容器如果內(nèi)壁存在較大的宏觀殘余拉應力，會與工作壓力產(chǎn)生的拉應力疊加，增加容器爆破的風險；而如果通過熱處理在表面引入宏觀殘余壓應力，則能提高構(gòu)件的抗變形能力。二、殘余應力的分類(二)微觀殘余應力微觀殘余應力的作用范圍局限在材料的微觀結(jié)構(gòu)中，根據(jù)作用對象的不同，又可分為兩類：01.

微觀結(jié)構(gòu)應力(第二類殘余應力)這類應力主要存在于材料的晶粒之間或不同相之間，作用尺度為微米級(通常為1-100微米)。它的產(chǎn)生源于相鄰晶?；虿煌嗟奈锢硇阅懿町悺热鐭崤蛎浵禂?shù)不同的兩相在溫度變化時，因收縮

或膨脹不一致而相互約束，進而產(chǎn)生應力。舉個例子：珠光體鋼由鐵素體和滲碳體組成，鐵素體的熱膨脹系數(shù)大于滲碳體。當材料冷卻時，

鐵素體收縮更明顯，但受到滲碳體的阻礙，會在鐵素體中產(chǎn)生殘余拉應力，滲碳體中則產(chǎn)生殘余壓應

力。這種應力雖然只存在于兩相界面附近，卻會影響材料的局部強度和韌性。二、殘余應力的分類(二)微觀殘余應力微觀殘余應力的作用范圍局限在材料的微觀結(jié)構(gòu)中，根據(jù)作用對象的不同，又可分為兩類：02.

晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力(第三類殘余應力)晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力是作用尺度最小的殘余應力，主要存在于晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)中，比如位錯周圍、孿晶界或缺陷區(qū)域，作用范圍通常在納米級到亞微米級。它的產(chǎn)生與材料的塑性變形密切相關(guān)——當

材料發(fā)生塑性變形時，位錯大量增殖并相互糾纏，形成不均勻的變形區(qū)域，進而產(chǎn)生應力。例如，金屬材料經(jīng)過冷加工(如冷軋、冷拔)后，晶粒內(nèi)部會積累大量位錯，位錯之間的相互排斥或吸引會形成局部應力場，這就是典型的晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力。這類應力雖然范圍微小，但密度極高，對材料的微觀性能影響顯著,比如會導致材料的硬度升高、塑性下降(加工硬化現(xiàn)象)?！窈暧^殘余應力影響構(gòu)件整體，微觀結(jié)構(gòu)應力作用于晶?；蛳嘀g，晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力則存

在于晶粒內(nèi)部?！裨趯嶋H檢測中，宏觀殘余應力可以通過X

射線衍射、應力應變片等方法測量；●而微觀殘余應力則需要借助透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)等微觀設(shè)備觀察分析。了解殘余應力的分類，是理解其對材料質(zhì)量影響的基礎(chǔ)。接下來，我們將詳細探討不同類型的殘余應力如何影響材料的各項性能。二、殘余應力的分類總結(jié)來說，三類殘余應力的核心區(qū)別在于作用尺度：(二)微觀殘余應力PARTTHREE材料質(zhì)量的影響三、材料質(zhì)量的影響滲碳件的殘余應力分布對疲勞強度的影響預先加工(拉伸、扭轉(zhuǎn)和兩者組合)對直徑為6

.35mm

的碳鋼材料的

載荷-伸長率曲線的影響a)wc=0.14%b)oc=0.59%;1~6

試樣加工前正火處理1—正火狀態(tài)2—伸長3.75%,時效3—伸長7.5%,時效4—扭轉(zhuǎn)17°43'/cm,時效5—扭轉(zhuǎn)17°43'cm+伸長2.5%,時效6—伸長5%+扭轉(zhuǎn)8°40'/cm,

時效7—退火狀態(tài)8—扭轉(zhuǎn)8°40'/cm,時

效9——伸長2.5%,時效10—扭轉(zhuǎn)8°40'/cm,

時效12—扭轉(zhuǎn)12°24'/cm+

伸長1.25%,時效13—伸長2.5%+扭轉(zhuǎn)8°40'/cm,

時效1.0025

50伸長率(%)b)1.0-0L2.0┌a)三、材料質(zhì)量的影響(一)殘余應力對靜強度的影響載

荷

/

1

0

3

k

g三、材料質(zhì)量的影響(二)殘余應力對塑性、韌性的影響當殘余拉應力使屈服點下降，而強度性能變化不大時顯然就使材料的伸長率增加了。而殘余壓應力的作用當然是相反的。

一般來說，塑性好的材料韌性

也好?？梢哉J為殘余應力是通過對強度的影響來對塑性、韌性起作用的。三、材料質(zhì)量的影響內(nèi)應力與硬度的關(guān)系(三)殘余應力對硬度的影響壁厚/mm未冷處理冷處理后表面殘余應力5865880拉應力大10880895拉應力小15888950壓應力小20888960壓應力大三、材料質(zhì)量的影響(三)殘余應力對硬度的影響T10鋼殘余應力對表面硬度(HV)

的影響三、材料質(zhì)量的影響磨損率與附加應力的關(guān)系1-2.94N(拉伸)2-8.82N(壓縮)3-5.88N(拉伸)4-5.88N(壓縮)5-5.88N(垂直于拉應力)(四)殘余應力對磨損的影響灰鑄鐵殘余應力和硬度隨退火溫度的變化1000三、材料質(zhì)量的影響(四)殘余應力對磨損的影響300廠濕型，靜置鑄造

干型，離心鑄造2502000

200

400

600退火溫度/℃250200150100摩擦面的硬度HV殘余壓應力硬度殘

余

應

力/

M

P

a100-50-150k800三、材料質(zhì)量的影響(五)殘余應力對疲勞的影響01.

殘余壓應力提高工件的疲勞強度0.64mm缺口半徑

壓

縮

→

拉

伸-1400-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200缺口根部表面殘余應力/MPa(回火)一45CrNiMo(冷軋缺口，0.64mm缺口半徑)35鋼(回火)(回火)試樣171(回火)(回火)(油淬)45CrNiMo

(回火)45CrNiMo(溫軋缺口，

0.64mm缺口半徑)45鋼

(噴丸)60CrNiMo(油淬)45CrNiMo800-600-400-20045鋼(未回火)疲勞極限/MPa60°V

形缺口0044.459.4回火溫度與高頻淬火試樣的表面殘余應力及疲勞特性的關(guān)系1-疲勞極限2

—

顯微蘿裂紋萌生三、材料質(zhì)量的影響700-we=0.19%鋼600-4003002800700600-500-400d=440mm200(五)殘余應力對疲勞的影響02.

殘余應力對疲勞極限影響的機理500回火溫度/℃b)300400回火溫度/℃a)am2或。"MPaWc=0.19%

d=10mm殘

余

壓

應

力

/

M

P

a滲碳試樣的強度和承載能力

示意圖噴丸處理對高強度

鋁合金缺

口疲勞裂

紋擴展行為的影響10-6AI7010-T73610-5L裂紋長度/mm疲勞強度氏體)外加應力應力

300一外加應力離表面距離三、材料質(zhì)量的影響總層深疲勞強度氏體)外加應力十應力應力集中(五)殘余應力對疲勞的影響02.

殘余應力對疲勞極限影響的機理殘余應力分布總層深總層深疲勞強度○噴丸·

未

噴

丸~

(

部-200-30010-3金屬的冷加工程度(扭轉(zhuǎn)次數(shù))對腐蝕速率的影響焊道方向的殘余應力/MPa2001100200

200400

600

800

1000

熱處理溫度(0.5h保持后空冷)/℃在Mg

C

i?=

4

2%

中

試

驗

時

發(fā)

生

應

力

腐

蝕

開

裂

數(shù)三

、材料質(zhì)量的影響熱處理對焊道殘余應力和應力腐蝕開裂的影響

1—殘余應力2—開裂數(shù)(六)殘余應力與腐蝕200100總

結(jié)1.何為殘余應力。2.殘余應力按作用范圍分為宏觀殘余應力、微觀結(jié)構(gòu)o應力和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力。3.殘余應力對材料質(zhì)量的影響具有兩面性。4.殘余應力的影響機理本質(zhì)是“應力疊加”和“微觀

結(jié)構(gòu)調(diào)控”?！恫牧铣尚蜋z測技術(shù)》2.殘余應力的產(chǎn)生殘余應力產(chǎn)生的根本原因02

熱處理時的殘余應力03

熱處理工件的殘余應力分布及影響因素04

表面淬火工件的殘余應力05

化學熱處理工件的殘余應力06

焊接殘余應力CONTENTSPARTONE殘余應力產(chǎn)生的根本原因一、殘余應力產(chǎn)生的根本原因不均勻塑性變形不均勻溫度場的不均勻相變熱效應PART

TWO熱處理時的殘余應力二、熱處理時的殘余應力(一)熱應力心部73

T4

T5沿截面的應力分布a)r上沿截面的應力分布b)圓柱體試樣在加熱和冷卻時熱應力的變化a)加熱b)冷卻表層溫差T2國表面心部溫差75

時間時間翼二、熱處理時的殘余應力(二)組織應力表面十心部Ⅲ圓柱體鋼樣淬火時組織應力的變化表

面心部Ⅱ

心

部應力表面應力時間I0PARTTHREE熱處理工件的殘余應力分布及影響因素三

、熱處理工件的殘余應力分布及影響因素2004、碳含量對完全淬透的圓柱體鋼樣殘余應力的影響(鉻鋼，φ18mm,850℃

水淬)

1-@c=0.98%2-@c=0.51%3-@c=0.33%4-@c=0.20%0中心軸向應力切向應力0-200—400—-600L0中心100

2000

100

表面

中心截面積/mm2徑向應力100

200表面200表面應力/MPa三

、熱處理工件的殘余應力分布及影響因素軸向應力內(nèi)徑

外徑

內(nèi)

徑

外

徑切向應力徑向應力03.26.59.712.916.1@c=0.30%碳鋼圓筒試樣從865℃水淬時產(chǎn)生的殘余應力(φ50mm×24mm

試樣)a)

從孔內(nèi)淬火b)

從外表面淬火c)

內(nèi)外面同時淬火621廠4142070-207上-414-6216214142070-207-414-621207-207截面積/cm2a)b)c)530420310200530420310200內(nèi)徑

外徑

硬度應

力

/

M

P

a硬

長

H

B

WPART

FOUR表面淬火工件的殘余應力心部

心部假想的間隙(箭頭表示應力)a)b)高頻淬火時殘余應力形成機理示意圖a)

加

熱

后b)

加熱并冷卻后四

、表面淬火工件的殘余應力加熱冷卻后的表層(馬氏體)加熱后的表層(奧氏體)1—0.44C—0.24Si—0.73Mn2—0.12C—0.20

Si

—045

Mn—1.3Cr—4.45Ni—0.85W3—0.39C—0.26

Si—0.65

Mn—0.68

Cr—1.58Ni—0.16Mo4—0.38C—0.28

Si—0.99Mn—1.33

Cr—0.36

Mo四

、表面淬火工件的殘余應力淬硬層深度/mm淬火層深度與表層最大壓應力的關(guān)系試驗用鋼的化學成分(質(zhì)量百分數(shù))表層殘余壓縮應力/MPaCr12型馬氏體不銹鋼板狀試樣局部高頻淬火的殘余應力分布a)測試部位b)殘余應力分布四

、表面淬火工件的殘余應力y

個高頻淬火區(qū)xa)-2001Cr12Ni2W1Mo1V-300y

向應力-400b)5、距表面距離/mm導1000-100殘余

應

力

/

M

P

a2.0PARTFIVE化學熱處理工件的殘余應力五

、化學熱處理工件的殘余應力300200100離表面距離

—→0-100-200-300-400-500滲碳淬火工件的殘余應力(切向)分布殘余應力/MPa滲層深度PART

SIX焊接殘余應力六

、焊接殘余應力

=08004001600[b)在yoz平面上等溫線及

溫度分布在xoy平面上等溫線及溫度分布2000半無限大物體表面上運動熱源的溫度場1000℃1500℃500℃4cm400℃200℃

400℃800℃

100℃50℃上v/cm:/cmycmb)1.殘余應力產(chǎn)生的三大根本原因：不均勻塑性變形、不均勻溫度

場的熱效應、不均勻相變，所有工藝中的殘余應力都源于此。2.不同工藝中，殘余應力的產(chǎn)生各有側(cè)重：熱處理同時涉及熱應力和組織應力；表面淬火和化學熱處理主要源于不均勻相變；焊。

接則主要源于不均勻溫度場。3.理解產(chǎn)生機制是控制殘余應力的基礎(chǔ)：比如知道焊接殘余應力o

主要是拉應力，就可以通過去應力退火消除；知道表面淬火能產(chǎn)

生壓應力，就可以利用它提高零件疲勞強度?？?/p>

結(jié)《材料成型檢測技術(shù)》3.殘余應力的測定01

殘余應力的特點02

常用殘余應力測定方法03

X

射線應力測定法CONTENTS

總結(jié)PARTONE殘余應力的特點一

、殘余應力的特點殘余應力具有“雙面性”

:合理利用能提升性能，控制不當則會導致失效。但這種“雙面性”的前提是——我們必須知道殘余應力的大小、方向和分布。殘余應力的核心特點決定了測定的必要性：●隱蔽性：它存在于無外載荷的材料內(nèi)部，無法通過肉眼觀察，必須借助專門手段才能“

感

知

”

?！駨碗s性：分布不均勻(如焊接件焊縫處應力高、遠離區(qū)域低),類型多樣(宏觀、微觀應

力共存)?！駝討B(tài)性：會隨溫度、時間或外部載荷變化(如熱處理可釋放部分應力)。PART

TWO常用殘余應力測定方法s

g

C

222測定方法如下：(1)根據(jù)應力分析需要和打孔的可能在工件上選擇適當位置進行測量。然后用測

量工具準確地標定出孔中心和應變片的中心和方向。在貼片前需將所測部位表面打磨拋光。(2)按確定的位置和方向粘貼應變片，用導線連接至電阻應變儀。按電阻應變儀測定的規(guī)程進行測定。二、常用殘余應力測定方法(一)鉆孔法S

C

G

222測定方法如下：(3)然后鉆孔，直徑一般小于2毫米，為了減少附加應力和發(fā)熱的影響，孔可分

為兩次鉆削，先鉆一小孔，再擴至所需直徑。鉆頭需鋒利，進刀量不能太大。

一

般不超過0.1~0.15毫米/min。(4)取三點A,B,C測得三個方向的徑向應變ε'ra、c′rb、ε′rc代入計算公式即可求出殘余應力。二、常用殘余應力測定方法(一)鉆孔法為了減小所鉆小孔對工件的破壞，可用鉆不通孔的方法。根據(jù)理論分析和實測證明，當孔的深度超過孔直徑的二倍后，對孔周邊表面的應變無任何影響。即當孔深大于二倍直徑后應變片測

量值無變化。所以在孔深大于二倍直徑條件下，對于不通孔仍可用通孔的公式。為了減小孔的破

壞，孔徑可盡量減小，這樣孔深也可減小。如孔徑為2mm

時孔深為4mm

而孔徑為1mm

時其孔深就

只需2mm。

目前還有采用淺不通孔法，即孔深小于二倍直徑。這時的三個方向的徑向應變e′ra、

ε'rb、ε′rc計算公式中的A,B

系數(shù)值隨孔深變化。因此必須將該材料A,B

系數(shù)隨孔深變化的規(guī)律

求出才能測定。而目前還找不到解析法，只能用實驗法和有限元法進行標定。實驗法精度難以保

證，有限元法則非常麻煩。二、常用殘余應力測定方法(二)不通孔法二、常用殘余應力測定方法(三)脆性涂層法它是在孔周涂覆0.5~2mm

厚度的脆性涂層，然后鉆孔。由干產(chǎn)生的位移和應變將使涂層產(chǎn)生裂紋，理論上說裂紋的形態(tài)和應力方向相應，而裂紋的長度大小和應力大小有關(guān)。但目前此方法的定量分析還只是理論上的，其測量精確度難以保證。二、常用殘余應力測定方法本方法只能用于鋼、鐵類鐵磁性物質(zhì)，它是利用這類物質(zhì)的磁彈性效應來

測定材料表面1~2mm層深的殘余應力。(四)磁性法PART

THREEX

射線應力測定法X射線衍射法測應力原理圖三

、X

射線應力測定法(GB7704-2008)(

一

)X

射線衍射法測應力原理a)b)c)d)試樣表面法線

衍射晶面法線衍射晶面衍射晶面便攜式X

射線應力測定儀三

、

射線應力測定法(

2008)X射線應力測試儀X

GB7704-(

二

)X

射線應力測定裝置(

二

)X

射線應力測定裝置X-350A

型X

射線應力測定儀(適合于大中型工件的測量裝置)三

、X

射線應力測定法(GB7704-2008)在X

射線應力測定技術(shù)中，試樣表面處理是關(guān)鍵問題之一。因為用X

射線衍射法測定殘余應力時，所用X

射線一般不屬硬射線，在金屬表面的有效穿透深度通常為幾微米至

幾十微米，所以測得的應力就是這個深度內(nèi)應力的加權(quán)平均值。顯然，試樣表面狀態(tài)對

測量結(jié)果有決定性影響。依據(jù)測試目的和測試點表面實際情況，正確進行表面處理。采用適當?shù)姆椒ㄇ宄臀?、氧化皮和銹斑總是必需的。三

、

射線應力測定法(

2008)X

GB7704-(三)試樣表面處理三

、

射線應力測定法(

2008)(三)試樣表面處理這里應注意一下事項：①砂磨過程應當由粗到細，逐級進行；②為了達到一定的剝層深度，可以采用電解拋光的方法，在接近預設(shè)深度時拋光電流

應適當減小，以降低拋光面的粗糙度；③對于石墨和碳化物含量較高的鑄鐵材料，在到達要求的層深之前，用金相砂紙輕磨，

除去拋光面殘留的石墨和碳化物，待顯露金屬光澤，最后用較小電流密度(例如不大于5安培/cm2)

作電解拋光，根據(jù)經(jīng)驗，拋光時間每平方厘米一般不要超過2秒。X

GB7704-固定ψ法和固定ψ0法測應力示意圖三

、X

射線應力測定法(GB7704-2008)(四)測量方法01.

固定ψ法和固定ψ0法同傾法和側(cè)傾法測應力示意圖三

、

射線應力測定法(

2008)X

GB7704-(四)測量方法02.

同傾法和側(cè)傾法三

、

射線應力測定法(

2008)(四)測量方法03.

擺動法對于粗晶材料，在有限的X光照射區(qū)域以內(nèi)，參與衍射的晶粒數(shù)目較少，衍射晶面法線在空間不成均勻連續(xù)分布，因而衍射強度較低，

峰形較差，難以達到應有的測量精度。為此就要用到擺動法。X

GB7704-CCC

擺動法的要點是這樣的

222在以步進的方式作20掃描的過程中，在每一個接受角20停留反射X射線時，保持20角不變，使20平面以指定的ψ方向為中心，在ψ平面內(nèi)左右擺動一定的角度△ψ。再明確地說，是在擺動中計數(shù)。這里講的是固定ψ加擺動法。擺動法的實質(zhì)是把相應于ψ±△ψ這樣一個

角度范圍的衍射峰相疊加，近似的當作指定的ψ角的衍射峰，客觀上增加了參與衍射的晶

粒數(shù)，把一些衍射強度較低而且峰形較差的峰疊加稱為較為豐滿、較少波動的峰，從而提高了粗精材料的應力測量精度。三

、X

射線應力測定法(GB7704-2008)(四)測量方法03.

擺動法10000T90008000700060005000400030002000170°165°160°155°150*

145140°衍射峰的背底是一些與測量所用的布拉格衍射無關(guān)的因素造成的?？鄢车资翘岣叨ǚ搴蛻y量準

確性的必要步驟之一。三

、

射線應力測定法(

2008)背底處理示意圖X

GB7704-(五)數(shù)據(jù)處理01.

背底處理三

、

射線應力測定法(

2008)(五)數(shù)據(jù)處理02

03

04

05

06強度因子半高寬法拋物線法重心法交相關(guān)法校正定峰X

GB7704-三

、

射線應力測定法(

2008)(

六

)

用X射線法測定應力中存在的問題●在平面應力的假定下，由2θ-sin2ψ直線的斜率來求宏觀應力，是常規(guī)的應力測定

方法

。但在測量中往往發(fā)現(xiàn)其20-sin2ψ關(guān)系偏離線性，呈曲線、分裂或波動現(xiàn)象，這表明在材料中存在應力梯度、垂直表面的切應力或織構(gòu)?！唉追至选笔侵冈讦缀?ψ方向測定得到不同的20(c

值，使20-sin2ψ曲線分成兩支。我們知道，這是垂直于表面的切應力σ13、σ23≠0的結(jié)果。對此問