1、 6.1残余应力概论6.2残余应力的测试方法6.3残余应力对材料的力学性能的影响6.1.1 残余应力的产生6.1.2 残余应力的调整与消除 6.1 残余应力概论 1、残余应力的产生原理 2、残余应力的分类 3、残余应力产生的原因 残余应力的产生 残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下，当没有通过物体表面向物体内部传递应力时，在物体内部保持平衡的应力系称为固有应力(Inherent stress)或初始应力(Initial stress)。热应力(Thermal stress)和残余应力(Residual stress)是固有应力的一种。而固有应力也被一些研究
2、者称为内应力(Internal stress)。1、残余应力的产生原理定义 现用最简单的例子说明残余应力的产生。图6.1所示是1912年由Martens、Heyn等提出的。设有三个弹簧，图6.1(a)为自由状态，图6.1(b)是用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态。残余应力的产生原理举例 1)(111llcp)(222llcp)(333llcpP1、P2、P3即相当于残余应力 并且 l1 l3 l2 a1 a2 a3(a)(b)l a1 a2 a3 0321ppp图6.1 用弹簧模型说明残余应力产生的示意图 R A B (a)(b)(c)(d)(e)残余应力的产生原理举例 2图6.2残余应力
3、的产生过程切取图中所示之正方形A部分A部分用任意的操作使之进行体积变化和形状变化而成为B的形状 由侧面施加作用力使之变回为形状（a）放入R区域，应保持应力使其形状固定应力释放时如e产生残余应力的状态 2、残余应力的分类从相互影响的范围大小分 从产生的原因考虑分 宏观残余应力 微观残余应力 体积应力 结构应力 相互对应相互对应3、残余应力产生的原因 残余应力产生原因可分为不均匀塑性变形、热残余应力产生原因可分为不均匀塑性变形、热应力、相变和化学变化四类，每一类又有外部原因应力、相变和化学变化四类，每一类又有外部原因和内部原因两个方面。和内部原因两个方面。1 机械作用造成不均匀塑性变形 在机械力作
4、用下，物体各部分变形不均匀。有些部分塑性变形大，有些部分塑性变形小，有些部分只产生弹性变形，整个物体又要保持完整性；因而，在外加机械作用卸除后，物体内形成残余应力。外部原因：不均匀的作用应力。内部原因：组元的浓度差和不同的晶粒位向差等，各部分显示出不同的屈服行为。2 热应力造成不均匀塑性变形 如果加热和冷却过程中产生的热应力始终处于弹性阶段，那么这种热应力是可逆的，一旦物体内温度趋于一致，应力就消失。在实际的加热和冷却过程中，物体中高温部分材料的屈服强度很低，受热应力作用而首先产生塑性变形。随后的热应力作用就不具有可逆性。虽然最终物体各部分温度趋于一致，物体内将会形成由热应力造成的残余应力。外
5、在原因：加热和冷却过程中物体心部与表面间的温度差、厚截面部分与薄截面部分间的温度差。内部原因：物体内各部分的物理性能不同。残余应力产生的原因 3 不均匀相变 加热和冷却过程中材料内部可能会发生相变 外部原因：不均匀加热和冷却。内部原因：组元的浓度差造成相变不均匀。4 化学变化 化学变化主要由外部原因造成。例如钢的氮化处理，表面形成氮化物层，它的比容高于钢基体的比容，为了保持物体的完整性，氮化表面层内形成较高的残余压应力，基体内形成残余拉应力。残余应力产生的原因 6.1.2 残余应力的调整与消除 6.1.2.1 用热作用对残余应力进行去除和调整 6.1.2.2 用机械作用去除和调整残余应力 1.
6、用热作用对残余应力进行去除和调整Mailender的试验 从应力松弛现象着手从应力松弛现象着手做研究做研究 实验是把直径14mm、长度130mm的钢试样加以均匀的单向拉应力，再把它放入一定温度的炉中，在应变一定的情况下研究其应力松弛状态。在此温度为t,一定的应变为e常温（20）和温度t时的纵弹性模量为:)(2020ttEEEE、而拉应力又分别为:ete、当塑性变形不发生时，下面的关系成立：)/(20EEteetteeteteeEE,按照上式在温度t时的应力则为：当温度上升若有塑性变形发生时,这时的应力即为:2020)(EEezbzeezteztbzeetzEE)(此应力在冷却到20时则成为如下
7、形式(为松弛后的常温应力值):实际上，研究应力松弛时，若弹性的初期应力为 ，则Z时间后的松弛应力 可按下法取得。首先把试样放入炉中加热到温度t。到温度t开始先附加小应力 ，以后再把载荷慢慢地附加上去。)(teetEetzA用热作用对残余应力进行去除和调整图6.4温度t时应力和应变的关系 把直线AQ延长，通过应力应变关系求出的S点所对应的弹性应力OU即为此时的初始应力 。et用热作用对残余应力进行去除和调整图6.4在560的应力松弛材料：Ni-Cr(0.4%C;1.5%Cr;3%Ni)图6.4便是按此办法在560做的应力松弛实验之一例。不论初始应力大小，只要保温2个小时左右便可达到很大程度的应力
8、松弛。如果考虑残余应力的松弛时，那么这种初始应力即相当于残余应力。金金 属属温度温度 （）时间（小时）时间（小时）灰口铸铁灰口铸铁碳素钢碳素钢C-Mo钢（钢（C0.2%）C-Mo钢（钢（0.2%C0.35%）Cr-Mo钢（钢（2%Cr，0.5%Mo）Cr-Mo钢（钢（9%Cr，1%Mo）Cr不锈钢不锈钢Cr-Ni不锈钢（不锈钢（316）Cr-Ni不锈钢（不锈钢（310）铜合金（铜合金（Cu）铜合金（铜合金（80Cu-20Zn，60Cu-30Zn）铜合金（铜合金（60Cu-40Zn）铜合金（铜合金（64Cu-18Zn-18Ni）镍和钼镍和钼800(426)1,100(593)1,100(593)
9、1,250(666)1,100(593)1,250(666)1,250(666)1,400(660)1,325(618)1,365(646)1,365(646)1,425(664)1,425(664)1,465(802)1,500(816)1,600(861)300(149)500(260)365(191)465(246)525(264)600(316)51/21232232221/211131表6.1 典型的残余应力去除温度和时间 用热作用对残余应力进行去除和调整2、用机械作用去除和调整残余应力 机械的方法机械的方法是利用材料内产生的塑性变形来达到减低残是利用材料内产生的塑性变形来达到减低残
10、余应力的目的，其应力的消除程度是有限度的。余应力的目的，其应力的消除程度是有限度的。此外在某些场合下，它往往是把应力消除和重新分布作此外在某些场合下，它往往是把应力消除和重新分布作为主要目的。为主要目的。用机械的方法却用机械的方法却不会使机械性能下降不会使机械性能下降，并且不需要炉子之，并且不需要炉子之类的热处理设备，从实用的角度上看是经济的。类的热处理设备，从实用的角度上看是经济的。用机械作用用机械作用去除和调整去除和调整残余应力残余应力校正法去除残余校正法去除残余应力应力用拉伸消除残余应力用拉伸消除残余应力振动法消除残余应力振动法消除残余应力表面加工调整残余应力表面加工调整残余应力1 校正
11、法去除残余应力 用机械作用去除和调整残余应力 在加工到成品之前的中间工序中，构件无论是热加工的，还是冷加工的，都可在最后工序通过校直机对形状进行校正。这种校正虽然一般都是平直校正，但也可根据材料的形状、和目的等要求用各种校正机进行校正。材料通过这种校正，机械性能会有所变化残余应力也会有变化，从而发生与校正方法相对应的具有其特征的应力重新分。除了用拉伸校正机校正的之外，校正后其初始残余应力都有相当大的程度被消除。随着新发生的残余应力在材料内形成平衡状态还能取得良好的外观形态。校正的方法(1)反复弯曲法(轧辊校正、旋转 弯曲校正等)(2)拉伸法(3)应力组合法 (4)加热法等用机械作用去除和调整残
12、余应力用机械作用去除和调整残余应力 2 用拉伸消除残余应力在部件截面内尽可能施加均匀的拉伸应力，使截面内产生塑性变形，从而减小应力的方法。定义：这对有色合金等延性大的材料的应力消除是有效的用机械作用去除和调整残余应力实例20.8 kgmm2 36.6 kgmm2 46.4 kgmm2 58.5 kgmm2 图图6.9所示为用拉伸法去除残余应力的一例。用于拉拔的试样是所示为用拉伸法去除残余应力的一例。用于拉拔的试样是23 mm的铝的铝合金合金9SMnPb2。它是用从弹性极限。它是用从弹性极限()到屈服应力到屈服应力()之间的如图所示的之间的如图所示的 四个阶段应力进行四个阶段应力进行拉伸拉伸，卸
13、载后测定各试样应力的结果。，卸载后测定各试样应力的结果。应应力是轴向残余应力。力是轴向残余应力。在此即使是加上弹性极限程度的拉应力，也会使残余应力在此即使是加上弹性极限程度的拉应力，也会使残余应力有所下降，当施加的外应力达到屈服应力程度时，将使有所下降，当施加的外应力达到屈服应力程度时，将使残余应力消除很大一部残余应力消除很大一部分分。0.0052.0用机械作用去除和调整残余应力3 3 振动法消除残余应力振动法消除残余应力以一定的动应力将零部件在其共振频率附近振动10-45min，即可消除峰值残余应力40%-60%用机械作用去除和调整残余应力3 振动法消除残余应力振动法消除残余应力存在残余应力
14、时，在交变应力作用下的应力与应变的关系曲线4 表面加工调整残余应力用机械作用去除和调整残余应力 对于进行了拉拔或轧制的棒或板，一般在其外表面都要呈现出显著的拉伸残余应力。为了消除这种应力，并赋予表面以压缩残余应力，可进行挤光加工、表面压延、喷丸处理、二次拉拔等表面加工。残余应力测量方法残余应力测量方法物理法或是物理化物理法或是物理化学法学法X射线衍射法射线衍射法拉曼散射法拉曼散射法磁性法磁性法超声波法超声波法热评估法热评估法电阻法电阻法硬度法硬度法固有应变方法固有应变方法脆性涂料法脆性涂料法光学法光学法同位素法同位素法化学浸蚀法化学浸蚀法机械测量方法机械测量方法计算法计算法实验非破坏性法实验非
15、破坏性法实验破坏性法实验破坏性法完全破坏性完全破坏性分割全释放分割全释放法法逐层剥除法逐层剥除法局部破坏局部破坏钻孔法钻孔法压痕法压痕法套取芯棒套取芯棒法法切铣环槽切铣环槽法法6.2 残余应力测量方法测量方法6.2.1 残余应力的机械测量方法 1、逐层剥除法 2、钻孔法 3、压痕法 残余应力的机械测量方法 可分为可分为：测量原理：测量原理：是将具有残余应力的部分，用一定的方法进行是将具有残余应力的部分，用一定的方法进行局部地分离或分割从而使残余应力被局部释放，测定这时局部地分离或分割从而使残余应力被局部释放，测定这时的变形，然后应用弹性力学来求出残余应力。的变形，然后应用弹性力学来求出残余应力
16、。1、逐层剥除法设圆板的外圆半径为 ，内孔半径为 。如图所示剥除到半径 r 处，则使半径 到r内存在的残余应力 被释放。相当于在剩余圆板上作用一个 。2R1R1R()rrr)(rr1 圆板的残余应力（内层剥除法）)(2ru)(2)(222222rrRrRruErr222222)(rrRrErr1、逐层剥除法如以 表示圆板外圆半径的变化，按照Lame的圆筒理论：其中：E是杨氏模量，外圆周方向的应变是 则有：r2 22/Rrur 于是，残余应力为：同时残余应力满足如下平衡方程式周向残余应力为222222222()()22dr RrRrEErdrrr/rrd rdr外层剥除法外层剥除法 逐层剥除法外
17、层剥除法：这是从圆板外用逐层剥除的方法。外层剥除后，测定其内径的变化，求出圆板外周的残余应力。与内层剥除法相似，可得到221212)(rRrrErr rrrRRrRrdrrdE1222121212 周向应变 是用机械法测得的半径变化，或用电阻应变片贴附在圆面上进行电测量也可以。则可以计算出残余应力的大小)(r 逐层剥除法实验方实验方法简单法简单 逐层剥除法 2 圆筒内残余应力（内层剥除法）圆筒内残余应力（内层剥除法）此处所取圆筒，具有轴对称的残余应力状态，如图所示在轴向、周向和径向上均有残余应力 、且均仅为半径r的函数。zzrr设圆筒的内、外半径分别为a和b，轴向具有足够的长度。逐层剥除法残余
18、应力应满足轴对称平面问题的平衡方程：0rdrdrrrr无外力作用时，残余应力分布应当满足轴向和周向合力为零的自平衡条件：02bazzrdr0badr bbzzrrbE222221将圆筒从内壁开始逐次剥除，设圆筒内壁从半径a到 材料被剥除，测量圆筒长度和外表面周长的变化。由测量获得的轴向应变和周向应变数据，根据弹性力学计算得到原始残余应力的三个分量 、。zzrr bbzzbbzzzzbEdd212222 bzzbbzzbbbE2222222dd21 逐层剥除法式中，和 是剥层到时外表面的周向和轴向应变，也就是圆筒外径周长的变化率和长度的变化率。bbzz 基本思想：在存在残余应力的板材上钻孔，根据
19、孔周围的变形求出残余应力。2、钻孔法假定沿板的板面方向存在残余应力，此应力在板的断面内各处均匀分布，取主应力方向上板的残余应力为 、。在板表面钻一直径 2R 小孔。12rr在与 成 角的方向上，离孔中心距离为r处，原始周向和径向残余应力为 、时，则此应力将因钻孔发生变化。1rr设因钻孔而在些处附加的应力为 、，则有 2cos23212cos2321244122144122rRrRrRrR2cos22cos23212cos22cos2321222244222222144122rRrRrRrRrRrRrrrr12 应力 与孔周围部分的变形有关，如能测定相应的应变，即可得到板表面的残余应力2、钻孔法
20、rrMathar-Soete法电阻应变仪法 钻 孔 法 在孔周围贻上应变片，由应变片测得的应变是平均应变，求出此平均应变和实际应变片下各部分所显示的应变的关系，并由此求出残余应力不是实验标定，计算出残余应力 钻 孔 法应用电阻应变仪测量的最基本方法 Errrr/将长为L的应变片按图示 角方向上沿径向方向粘贴，钻孔后在应变片下位于半径r处产生径向应变 ，并且由于钻孔，在此处附加了周向和径向的应力 、，则根据这些应力和应变的关系 rrrr应变片显示的应变为平均应变 ，而从孔中心到应变片两端的距离设为 、，则 m1r2r21211rmrrrdrrr 钻 孔 法2cos23212cos23212441
21、22144122rRrRrRrR2cos22cos23212cos22cos2321222244222222144122rRrRrRrRrRrRrr将上两式代入Errrr/21211rmrrrdrrr并将计算结果代入积分可得：2cos2121EBEAm式中：222122121212212212411221rrrrrrRrrRBrrRA 钻 孔 法从孔的中心沿等距离的3个方向，即在对应于主应力为 、的3个方向上，都同样的粘贴应变片，求因钻孔而分别产生的应变 、。得各方向的应变为,m,m,m2cos2cos2cos2121,2121,2121,EBEAEBEAEBEAmmm为了方便可将 、变换成
22、、，就可求出残余应力和方向角,m,m,m 0222202021sintan2sin2cos28BAE-0-tan2tan当 时，钻 孔 法当 时4545452204545454514545224EAB-4545045-45tan22特殊情况：特殊情况：120120120220120120120120112012002236EAB-1201200120-120tan232 还可以用应变摩尔圆 在工件待测点中心放置直径 D 的轴承钢球，通过冲击或静压的方法施加一定的冲击功 W 或静压力 P，使其在工件表面产生直径 d 的球冠形压痕，在压痕周围产生一定的叠加应力并形成一定的应变，该应变值由压痕周围的
23、应变测得。3、压痕法 测点的残余应力将影响所产生的应变，并且当试验条件一定时，测点的应变增量与其残余应力间存在良好的线性关系。因此，对某一给定材料，可以在一定的试验条件下作压痕标定试验，得到材料的应力应变增量曲线，然后再在同一试验条件下对实际工件作压痕试验，测定其应变增量，根据标定试验得到的应力应变增量曲线，就可求出工件中的残余应力值。压 痕 法实验依据6.2.2 残余应力的物理测量方法 1、残余应力的X射线测定法 2、残余应力的磁性测定方法 3、其他 无损检无损检测法测法1、残余应力的X射线测定法不仅可以测量宏观残余应力不仅可以测量宏观残余应力(Macro Residual Stress)还
24、可还可以测定微观残余应力以测定微观残余应力(Micro Residual Stress)测量原理测试方法测定原理：用X射线测定应力，被测材料必须是晶体,晶格可视为天然的光栅,X射线照到晶体上可产生衍射现象.sin2nd晶面间距d和入射X射线波长:满足关系式:X射线在晶体上衍射时衍射角:布拉格布拉格定律定律 布拉格布拉格角角 残余应力的X射线测定法将布拉格方程微分可得到:cot/dddd/2当晶面间距因应力而发生相对变化时，衍射角将随之发生变化。所以只要测出试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量即可算出晶面间距的变化量，再根据弹性力学定律计算出该方向上的应力数值。残余应力的X射线测定法残
25、余应力的X射线测定法 对理想的多晶体，对理想的多晶体，在无应力的状态下，在无应力的状态下，不同方位的同族晶面不同方位的同族晶面间距是相等的，而当间距是相等的，而当受到一定的宏观应力受到一定的宏观应力时，不同晶粒的同族时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位晶面间距随晶面方位及应力的大小发生有及应力的大小发生有规律的变化，如图所规律的变化，如图所示。可以认为，某方示。可以认为，某方位面间距位面间距 相对于相对于均应力时的变化均应力时的变化 d000dddd d 残余应力的X射线测定法反映了由应力造成的面法线方向上的弹性应变 0d d 显然，在面间距随方位的变化率与作用应力之间存在一定函数关系。因此，
26、建立待测残余应力因此，建立待测残余应力 与空间某方位上的应变与空间某方位上的应变 之间的之间的关系式是解决应力测量问题的关键。关系式是解决应力测量问题的关键。残余应力的X射线测定法平面应力状态：平面应力状态：在物体的自由表面，其法线方向的应力为零，当物体内应力沿垂直于表面的方向变化梯度极小，而X射线的穿透深度又很浅（约10m数量级），这种平面应力假定是合理的 321、取主应力方向321、待测方向()x 是 与 的夹角，OZ与 构成的平面称“测量方向平面”1以及与待测应力垂直的方向 、yz残余应力的X射线测定法是此平面上任意n方向上的应变，它与OZ之间的夹角为 。则 和主应变的关系为,2222
27、12233aaa123,a aa是 相对于主应力坐标系的方向余弦残余应力的X射线测定法1sincosa2cossina3cosa222,1233cossinsin 当 时，902212cossin2,33sin 对于一个连续、均质、各向同性的物体来说，根据广义虎克定律，应力应变关系为xxyzyyzxzzxyEEE 残余应力的X射线测定法在平面应力条件下，30,zz3xxyxyEEE 2,31sinE 代入上页的公式,21sinE 对 求导：2sin结论：结论：和和 随方向余弦随方向余弦 成线性关系成线性关系2sin2sin残余应力的X射线测定法根据布拉格方程和式 ，cot/dd00022cot
28、cot2dd 2sin将此式对 求导022cot2 1sinE 结论结论：与与 成线性关系成线性关系 22sin随呈线性关系 022cot2 1180sinE 用度表示结论：宏观应力测试的基本公式结论：宏观应力测试的基本公式0cot2 1180EK 22sinMKM残余应力的X射线测定法宏观应力表达式即为K称为应力常数，它决定于被测材料的弹性性质（弹性模量E，泊松比 ），及所选用衍射面的衍射角（亦即衍射面间距及光源的波长 ）测量方法测量方法（1）同倾法几何特点是：测量方向平面和扫描平面重合此法中确定方位的方式有以下两种。固定法。固定o 特点：待测工件不动，专用仪器的光管、测角器组件用立柱、横梁
29、或支架安置在工件待测部位近旁，通过改变射线的入射方向获得不同的方位，o即入射线与试件表面法线的夹角。用于测量测量机械零件或大型构件上的残余应力（3）侧倾法 特点：测量方向平面与扫描平面垂直，图6.17（b）表 示它与同倾法的对比。对于平表面试件，其的变化范围理论上可接近。显然，侧倾法确定方位的方式属固定法.2 2、磁性测定方法、磁性测定方法 应用应用：铁磁性材料的残余应力测定：铁磁性材料的残余应力测定原理原理：铁磁材料的磁弹性效应：铁磁材料的磁弹性效应 优点优点：原理简单，仪器设备轻便，对外界条件要求也不严格，容易进行：原理简单，仪器设备轻便，对外界条件要求也不严格，容易进行 现场操作，因而在
30、特大型工作测定应力中有其无可比拟的优点。现场操作，因而在特大型工作测定应力中有其无可比拟的优点。铁磁体的磁化，将受到晶体的铁磁体的磁化，将受到晶体的各向异性、晶粒的大小、合金元素各向异性、晶粒的大小、合金元素、夹杂物及应力的影响。、夹杂物及应力的影响。内部存在内部存在的应力对磁畴的旋转和位移会产生的应力对磁畴的旋转和位移会产生附加的阻力。这时，外部应力和内附加的阻力。这时，外部应力和内部的残余应力是等效的，磁化曲线部的残余应力是等效的，磁化曲线因此种应力而发生变化。因此种应力而发生变化。拉应力，kg/mm2外部磁场，H磁化强度，J图6.26拉伸应力对镍的磁化作用的影响R.Becker、M.Ke
31、rsten、F.Preisach对于退火的对于退火的 Ni、Fe-Ni 合金的研究得出下式：合金的研究得出下式：3/2saI (7.43)式中式中 a 初始导磁率；初始导磁率；Is 磁饱和值；磁饱和值；磁致伸缩常数磁致伸缩常数 Becker、Kerseen 还得出了定量的评价内应力的研究公式。当内应力还得出了定量的评价内应力的研究公式。当内应力i取任意方向，取任意方向，而磁致伸缩为各向同性时，设而磁致伸缩为各向同性时，设im为内应力的平均值，则为内应力的平均值，则 22 9saimI (7.44)而残余磁性而残余磁性 IR，随应力而变化的关系如下，随应力而变化的关系如下 04RsimdIdI
32、(7.45)磁性测定方法磁性测定方法 Frste 应用应用式式(7.45)进行了应力的测定。对于未经磁化的铁磁体施加拉伸应力时，与进行了应力的测定。对于未经磁化的铁磁体施加拉伸应力时，与磁饱和状态下施加同样应力时，其伸长的差为磁饱和状态下施加同样应力时，其伸长的差为，则得到，则得到 imc (7.46)由此即可决定由此即可决定im。但在实际上，由于所做的假定材质以及试样的形状等条件，上述各。但在实际上，由于所做的假定材质以及试样的形状等条件，上述各式的适用范围亦受到限制。式的适用范围亦受到限制。(7.43)(7.46)式中的内应力式中的内应力无论是外部载荷下的应力，还是残余应力均可。就残无论是
33、外部载荷下的应力，还是残余应力均可。就残余应力而言，有宏观残余应力和微观残余应力，在整个断面内保持平衡的是第一余应力而言，有宏观残余应力和微观残余应力，在整个断面内保持平衡的是第一类残类残余应力，微观的存在于晶粒内外范围的是第二、第三类残余应力。因处在同一磁场，余应力，微观的存在于晶粒内外范围的是第二、第三类残余应力。因处在同一磁场，则就整个断面来考虑，第一类残余应力在整个断面上为零，而实际上对磁性产生影响则就整个断面来考虑，第一类残余应力在整个断面上为零，而实际上对磁性产生影响的是第二、三类残余应力。的是第二、三类残余应力。Reimer 将拉伸到塑性区域的试样，用磁性法测定了其残余将拉伸到塑
34、性区域的试样，用磁性法测定了其残余应力，同时还应用应力，同时还应用 X 射线作了测定并将两者测定的结果作了比较。此时由射线作了测定并将两者测定的结果作了比较。此时由 X 射线求出射线求出的第二类残余应力与由磁性测得的应力是一致的。的第二类残余应力与由磁性测得的应力是一致的。磁性测定方法磁性测定方法 3 3、其他方法、其他方法1.1.光学方法光学方法 应用光学中的偏光性进行应力测定应用光学中的偏光性进行应力测定 。多数的透明体承受应力时，即使多数的透明体承受应力时，即使是各向同性的物质也会由于应力作用而显现各向异性使透射光发生复折射，是各向同性的物质也会由于应力作用而显现各向异性使透射光发生复折
35、射，达到此目的要有良好的适应材料。达到此目的要有良好的适应材料。图图6.26用光弹性覆膜法的应力测定。用光弹性覆膜法的应力测定。优点优点：测定精度：测定精度为10-5-10-6，测定时覆测定时覆膜对湿度不敏感，在水、油、汽油中膜对湿度不敏感，在水、油、汽油中也能测定。并且应变的测定范因也大也能测定。并且应变的测定范因也大，它对温度相当敏感，与电阻应变片，它对温度相当敏感，与电阻应变片相比其适用范围较广泛。相比其适用范围较广泛。应用应用：残余应力测定；切槽时应变的残余应力测定；切槽时应变的测定；钻孔法时应变的测定；焊接应测定；钻孔法时应变的测定；焊接应力的测定；力的测定；构件缺口处的残余应力的构
36、件缺口处的残余应力的测定。测定。用光弹性覆膜测定应力就是将这些树脂薄层涂在试样表面上，由入射光与反射偏振光的位相差用光弹性覆膜测定应力就是将这些树脂薄层涂在试样表面上，由入射光与反射偏振光的位相差求出应力。求出应力。112112EEe c (7.52)e 为覆膜厚度，为覆膜厚度，1 1是相位差，是相位差，c c 是实验测得的覆膜的光弹性常数，是实验测得的覆膜的光弹性常数，E E和和 分别是试样的杨氏模量分别是试样的杨氏模量和泊松比。和泊松比。当处于当处于 1或或 2为零的单向（一维）应力状态时，由为零的单向（一维）应力状态时，由(7.52)式可直接求出应力。但在平面应力状式可直接求出应力。但在
37、平面应力状态下，为求得态下，为求得 1、2，还要作其他的实验。即如图还要作其他的实验。即如图 7.27 所示再所示再考虑用斜射光的情况，令考虑用斜射光的情况，令 45，即能求得覆膜的应力为即能求得覆膜的应力为 11122ec (7.56)2112ec (7.57)如果覆膜的应力已知时，便能直接求得试样的应力如果覆膜的应力已知时，便能直接求得试样的应力 1、2。其他方法其他方法实际测定时，是应用光弹性测定实际测定时，是应用光弹性测定装置从透射后的偏振光的干涉来装置从透射后的偏振光的干涉来求出位相差的。求出位相差的。1、对静强度的影响2、对脆性破坏和抗应力腐蚀开裂的影响3、对疲劳的影响对疲劳的影响
38、 u6.3 残余应力对材料的力学性能的影响残余应力对材料的力学性能的影响 对静强度和变形的影响对静强度和变形的影响 对结构件静稳定性的影响对结构件静稳定性的影响 对硬度的影响对硬度的影响对静强度的影响对静强度的影响 如果对已存在残余应力的构件，再由外部施加应力时，则由于作用应力与残余应力的交互作用而使整个构件的变形受到影响，并且随着载荷的去除残余应力也要发生变化。实例如图。当材料为：理想弹一塑性体 塑性材料 时残余应力的影响对静强度和变形的影响对结构件静稳定性的影响对于加了压缩载荷的组合构件，残余应力对其稳定性的影响，可以看作是残余应力对纵弯曲的影响。而加工或焊接后，构件的残余应力都对结构构件
39、的弯曲强度产生影响。把右图所示的三个构件（1、2、3的截面积比为1:2:1）组合后，由于各长形柱的长度有所差异，无论哪个一开始都将具有如图(a)所示那样的残余应力，当在其上施加压力P时，其纵向弯曲应力（，：纵向弯曲载荷）便可通过计算或实验求出，kkPabkPsil k右图示出了有残余应力和没有残余应力时的结果。直径比大时，无论是否具有残余应力都会象欧拉曲线l所示那样发生弹性纵向弯曲。只不过具有残余应力者，压缩载荷增大到使中央构件2的应力(残余应力加作用应力)达到压缩屈服应力时(这时的应力状态示于上图(b)，则成为如欧拉曲线l上的(b)点所示的那样，成为弹性纵向弯曲的极限状态。在此2的部分一旦成
40、为塑性变形状态，它就不能再承受更高的压力了，为此就必须由1、3两部分来承担。所以，这时仅考虑与纵向弯曲相对应的1、3构件的实际直径比()，它显然比图6.36所示构件l、2、3的直径比要大一些。对结构件静稳定性的影响 因此，在载荷的情况下，从图可见，其直径比就会急剧减少。如果增加比之更大的载荷，纵向弯曲应力就将按欧拉曲线2变化。在此时残余应力将逐渐消失(图c)，当时，整个构件都成为塑性状态，并表现出与无残余应力的构件有相同的变形行为。0.5ks1ks对结构件静稳定性的影响 对压入硬度的影响 对回弹硬度的影响对硬度的影响 对压入硬度的影响 先简化压入模型如图6.38所示压头的压入情况。在此，压力P
41、0均匀地施加在接触部位的。于是在接触部位下，P点的x方向、y方向的正应力 、和剪切应力 为xyxy012122sin2sin22xP (6.58)012122sin2sin22yP (6.59)012cos2cos22xyP由此可求出最大剪切应力max为22max2xyxy(6.61)0max12sinP(6.62)(6.60)对压入硬度的影响 最大剪切应力为 max存在于通过接触部位端部的圆上。因此塑性变形便在12sin为最大时，即在122的部位首先发生。在此若x方向有残余应力xr时，（设y方向的残余应力0yr)，因此这时的最大剪切应力 为max22200max121212sinsincos
42、4xrxrPP(6.63)在上式中，根号内的第一项相当于没有残余应力时的最大剪切应力的平方，第二项、第三项与残余应力有关系。因此根据第二项、第三项的值和符号便可确定出残余应力对塑性变形开始的影响。对回弹硬度的影响 对于回弹硬度而言，材料的杨氏模量和屈服应力等具有决定性的影响。残余应力对这种硬度也能给予从属性的影响。因此当残余应力存在时，正如前节所述，即使是在低载荷作用下材料内也易于开始塑性变形。像回弹硬度那样能使材料受到冲击力的情况，只要因之而在材料内造成微小的塑变功，就会使回弹能减少使回弹硬度下降。当残余应力是拉应力时，这种效应更明显。图6.41是Michalski、Kemmensy、Bal
43、zerowiak的测定结果之一例。横坐标的挠度与弯曲应力相对应。结果表现出与压入硬度时同样的倾向。图图6.416.41肖氏硬度与弯曲应力肖氏硬度与弯曲应力 残余应力对脆性破坏的影响 残余应力对应力腐蚀开裂的影响对脆性破坏和抗应力腐蚀开裂的影响 过去有很多关于船舶、贮油罐、桥梁以及其他焊接结构等发生脆过去有很多关于船舶、贮油罐、桥梁以及其他焊接结构等发生脆性破坏的报告。脆性破坏的特点是在性破坏的报告。脆性破坏的特点是在未到使用寿命的时期内材料内部未到使用寿命的时期内材料内部突然发生裂纹，并且，迅速扩展到整个截面而导致破坏，而这时几乎突然发生裂纹，并且，迅速扩展到整个截面而导致破坏，而这时几乎没有
44、由于外部负荷而产生的塑性变形没有由于外部负荷而产生的塑性变形。这样，脆性破坏通常是在特殊。这样，脆性破坏通常是在特殊环境下发生的。即使在一般的使用条件下，结构件的各部件之间，也环境下发生的。即使在一般的使用条件下，结构件的各部件之间，也往往由于温度差、自重以及其他零件的支持条件等原因而产生预期外往往由于温度差、自重以及其他零件的支持条件等原因而产生预期外的应力。这时，若抑制零件本身的塑性变形或有束缚条件（即温度下的应力。这时，若抑制零件本身的塑性变形或有束缚条件（即温度下降）、加载时变形速度增加，或零件截面壁厚很大等等，就会突然产降）、加载时变形速度增加，或零件截面壁厚很大等等，就会突然产生脆
45、性破坏。除以上原因外，残余应力作为初始应力附加到普通构件生脆性破坏。除以上原因外，残余应力作为初始应力附加到普通构件的断面上时，就会对脆性破坏产生影响。的断面上时，就会对脆性破坏产生影响。残余应力对脆性破坏的影响 残余应力对脆性破坏的影响，很早就由残余应力对脆性破坏的影响，很早就由GreenGreen做了实验。他把做了实验。他把66669lcm9lcm2 2，厚度，厚度2cm2cm的软钢板对焊起来，这时在焊缝的一部分开的软钢板对焊起来，这时在焊缝的一部分开索卡特索卡特(Sawcut)(Sawcut)缺口，然后把开有缺口的和把缺口再次焊接起来的缺口，然后把开有缺口的和把缺口再次焊接起来的以及再进
46、行消除应力退火的板试样在各种温度下做弯曲试验。这时以及再进行消除应力退火的板试样在各种温度下做弯曲试验。这时在缺口周围沿接合方向上的残余应力有相当大的一部分被保留下来在缺口周围沿接合方向上的残余应力有相当大的一部分被保留下来。一般接合方向的残余应力，在焊缝处是接近于焊接金属屈服应力。一般接合方向的残余应力，在焊缝处是接近于焊接金属屈服应力的拉应力。此时若把焊件冷却到的拉应力。此时若把焊件冷却到-13-13，就是没有外应力作用也能，就是没有外应力作用也能产生裂纹。其原因是由于随着温度的下降，材料的塑性随之下降。产生裂纹。其原因是由于随着温度的下降，材料的塑性随之下降。从各温度下的弯曲试验上看，存
47、在拉伸残余应力的焊接件，比去除从各温度下的弯曲试验上看，存在拉伸残余应力的焊接件，比去除了应力的弯曲强度低。了应力的弯曲强度低。残余应力对脆性破坏的影响残余应力对脆性破坏的影响多向应力下残余应力的影响：如图所示把三维方向的上应力 、施加于此部分后的情况。123图图6.466.46多向应力下，应力条件和塑性伸长的关系多向应力下，应力条件和塑性伸长的关系2131babobabo塑性延伸（多向应力）塑性延伸（单向应力）残余应力对脆性破坏的影响 在前面关于脆性破坏对温度的关系中，已表明了拉伸残余应力的存在能使构件承受外应力的能力下降到零。当脆性化取决于应力时，最小主应力的值若高就会招至脆化。因此如果残
48、余应力是多向拉伸应力状态，它就会以重叠到作用应力上的方式使值下降，一旦产生了这样的应力状态，材料就会由于残余应力而引起脆化。残余应力一般常以多向应力形式存在，当来自外部的单向应力作用于这种多向应力上时，则与上述情况相反，其塑性变形能增加，材料成为易塑性变形状态。而当作用应力为多向应力时，虽也会与残余应力构成叠加状态。然而这时所得到的却正好是适宜于脆生破坏发生的状态。残余应力对脆性破坏的影响 残余应力对应力腐蚀开裂的影响 当材料处于静应力的作用下，同时又处于与腐蚀性介质相接触的状态时。这种条件往往使材料经过一定时间后，就发生裂纹，并扩展到整个断面而破坏。这就是所谓的应力腐蚀开裂。这种开裂是在几个
49、特定条件下引起的，它的特征是：(1)拉应力和腐蚀必须共存，缺少任何一方，裂纹或者不发生，或者不扩展；(2)由于材料成分和组织的不同，对开裂的敏感性也就不同；(3)特定的腐蚀介质可使裂纹更易于发生。因此在一般的环境下并不出现这种情况。在应力腐蚀开裂中，腐蚀常常是局部的和有选择的，开裂发生的原因多半是所谓的点蚀。而裂纹的扩展主要是沿着最大主应力垂直的方向进行，在微观上是沿着材料的晶界或穿过晶粒进行。以上各点即为应力腐蚀开裂的一般特征。由于应力腐蚀断裂的危险性就在于它常发生在相当缓和的介质中和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆，常造成灾难性的事故。因此，残余应力对材料或者构件在腐蚀环境下的
50、破坏问题始终得到学术界和工业界的高度关注。对于金属而言，其腐蚀几乎都是电化学腐蚀，当应力作用于其上时，则会使腐蚀电位发生变化 残余应力对应力腐蚀开裂的影响图图6.486.48残余应力对应力腐蚀的影响残余应力对应力腐蚀的影响材料：铝合金钢（材料：铝合金钢（0.4%Cu,5.3%Zn,2.8%Mg0.4%Cu,5.3%Zn,2.8%Mg）（0.30.30.20.2）英寸）英寸作用应力：外加载荷所造成的弯曲应力；作用应力：外加载荷所造成的弯曲应力；腐蚀介质：腐蚀介质：0.5N0.5N氯化钠氯化钠+0.005N+0.005N碳酸钠碳酸钠A A（表面残余应力（表面残余应力-0.3+0.3-0.3+0.3
