全方位解读残余应力，让你不再迷茫

一、什么是残余应力

残余应力、也称内应力，是指当外部载荷去掉以后，仍存留在工件内部的应力。残余应力是由于金属内部组织，发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。具有内应力的工件，是处在一种不稳定状态之中，其内部的组织有强烈地恢复到没有内应力的稳定状态的倾向。工件的形状逐渐改变（如翘曲变形）从而丧失其原有精度。如果把存在内应力的工件装配到机器中，则会因其在使用中的变形而破坏整台机器的精度。

二、残余应力的来源

外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功，以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后，应力不均匀的能量要释放出来，引起了零件缓慢地变形，即残余应力作功，直到能量全部释放出来为止。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，产生残余应力的原因可以归结为：

（1）不均匀的塑性变形；

（2）不均匀的温度变化；

（3）不均匀的相变。

三、残余应力的分类

按应力产生的原因分类有：

(1) 热应力

铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁筋板部分较薄。铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩地小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似于上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

(2) 相变应力

常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀 ，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于塑性状态，应力虽然不断产生， 但又不断被塑性变形所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(即γ-Fe变为a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃ 和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反， 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不再产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。

(3) 收缩应力(亦叫机械阻碍应力)

铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。

按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：

（1）**类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1%左右。

（2）第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。

（3）第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80%~90%）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓**的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。

四、残余应力对机械零部件的影响

（1）引起物体尺寸和形状的变化。当在变形物体内存在残余应力时，则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸和形状改变。

（2）使零件的使用寿命缩短。因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部分的工作应力，为外力所引起的应力与此残余应力之和，有的部分为其差，这样就会造成应力在物体内的分布不均。此时工作应力达到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生断裂，从而缩短了零件的使用寿命。

（3）降低了金属的塑性、冲击韧性。当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，由于残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高，塑性降低。

（4）降低金属的耐蚀性以及和疲劳强度等。由于零件内部的残余应力，使其处于高能量状态，易与氧化介质发生化学作用，造成腐蚀，即应力腐蚀，从而降低了零件的耐蚀性，残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布，降低疲劳强度。

五、残余应力对零件切削加工影响

对切削加工过程的影响车削零件的毛坯，一般为铸件、锻件、型材和经过热处理的半成品，由于毛坯在形成的过程中，有过温度的剧烈变化及受力变形，因此内部具有残余应力，在切削时形状发生变化，原应力平衡状态被打破，导致了切削过程的变形。

5.1产生切削残余应力

金属的切削，实质上是工件受刀具的挤压和摩擦，使工件表面产生弹性变形和塑性变形，切屑从母体分离的过程。在切削过程中，工件受到切削力，产生切削热而使切削温度上升，切削完成后，工件的已加工表面即产生了残余应力，使工件在以后的使用中发生变形，精度降低，使用性能和下降，使用寿命缩短。

5.2影响残余应力的因素

（1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件温度上升，残余应力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，残余应力也越大。

（2）刀具角度。增大刀具的前角，刃倾角，可使刀具锋利，减小切削力。

（3）切削液。切削液具有润滑和冷却作用，在加工中使用切削液，可减小切削力和降低切削温度，使残余应力减小。

六、减小和消除残余应力的措施和方法

6.1 采用合理的工艺结构在零件的设计时，采用合理的工艺结构，避免厚薄不匀，尖角结构等，铸件宜使用铸造圆角。

6.2 合理安排工艺路线对于精密零件，粗、精加工分开。对于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行，故粗加工后先将工件松开，使其自由变形，再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。

6.3 采用合理的切削条件。在零件的精加工时，使用较小的切削和走刀量以及较高的切削速度，使用锋利的刀具和使用切削液进行润滑冷却，以减小切削力和降低切削温度，减小残余应力。

6.4 采取时效处理技术

（1）自然时效处理。

（2）热时效处理。这是目前使用**广的一种方法，但其投资和能源消耗都较大，使生产成本增加，而且精加工后零件进行加热时效，有可能产生氧化而影响表面品质。

（3）振动时效处理。这是消除残余应力、减少变形以及保持工件尺寸稳定的一种新方法。可用于铸造件、锻件、切削加工工件等。它是以激振的形式，将机械能加到含有大量残余应力的工件内，引起工件金属内部晶格错位蠕变，使金属的结构状态稳定，以减少和消除工件的内应力。不需庞大的设备，经济简便，效率高。频谱谐波时效技术是在此机床上的发展，能消除60-70%的应力，在稳定尺寸和形状精度上非常有效。