1、2.3 残余应力与零件失效残余应力与零件失效一、残余应力一、残余应力1.内应力定义：内应力定义：物体在无外载荷时，存在物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。于其内部并保持平衡的一种应力。2.内应力分类：内应力分类：（1）存在于整个物体或在较大尺寸范围存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上，以上，为宏为宏观应力，即我们所说的观应力，即我们所说的残余应力残余应力；（2）晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应）晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为力，尺寸为10-110-2mm，称为微观应力；，称为微观应力；（3）在原子尺寸范围保持平衡的
2、应力，）在原子尺寸范围保持平衡的应力，尺寸为尺寸为10-310-6mm，称为超微观应力。，称为超微观应力。残余应力使工件尺寸不稳定，严重时残余应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至时工件在受力之下变形产生断裂。甚至时工件在受力之下变形产生断裂。有利的残余应力能提高疲劳强度等性有利的残余应力能提高疲劳强度等性能，而不利的残余应力则可能使零件发生能，而不利的残余应力则可能使零件发生早期破坏。例如，早期破坏。例如，残余压应力能够提高零残余压应力能够提高零件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力等件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力等，残残余拉应力总是有害的，将降低疲劳抗力、余拉应力总是有害的，将降低疲劳抗力、抗应力腐蚀的
3、能力等抗应力腐蚀的能力等。二、残余应力的产生二、残余应力的产生1.热处理残余应力热处理残余应力热处理残余应力是由热处理残余应力是由热应力热应力和和组织应力组织应力叠叠加的结果。加的结果。热应力热应力：由于不同温度处的：由于不同温度处的膨胀量不同膨胀量不同引引起的，它在冷却初期和末期正好相反。起的，它在冷却初期和末期正好相反。图图2-9 热应力分布示意图（拉应力为正，压应力为负）热应力分布示意图（拉应力为正，压应力为负）（a）冷却初期）冷却初期 （b）冷却后期）冷却后期组织应力（相变应力）组织应力（相变应力）：由于：由于不同组织的不同组织的比容不同比容不同引起的。在淬火冷却过程中，表面发引起的。
4、在淬火冷却过程中，表面发生相变与其后的心部发生相变时的组织应力也生相变与其后的心部发生相变时的组织应力也正好相反。正好相反。比容：单位质量的物质所占有的容积。其比容：单位质量的物质所占有的容积。其数值是密度的倒数。数值是密度的倒数。图图2-10 组织应力分布示意图组织应力分布示意图（a）表面发生相变时）表面发生相变时 （b）心部发生相变时）心部发生相变时零件热处理条件不同，残余应力分布状态零件热处理条件不同，残余应力分布状态各有不同。各有不同。例如，当零件处于整体淬透状态时，表面例如，当零件处于整体淬透状态时，表面先发生马氏体相变，使表面变硬；随后的冷却先发生马氏体相变，使表面变硬；随后的冷却
5、中，心部发生马氏体相变使体积发生膨胀，导中，心部发生马氏体相变使体积发生膨胀，导致表面形成残余拉应力，一般在这种状况下，致表面形成残余拉应力，一般在这种状况下，零件的零件的残余应力分布以组织应力的形式存在残余应力分布以组织应力的形式存在。而对于低淬透性材料制作的零件，淬火时而对于低淬透性材料制作的零件，淬火时由于心部不发生马氏体相变，因而零件的残余由于心部不发生马氏体相变，因而零件的残余应力状态应力状态可以是组织应力形态也可以是热应力可以是组织应力形态也可以是热应力形态形态。对于表面淬火的零件，则形成对于表面淬火的零件，则形成以热应力为以热应力为主的残余应力分布形式主的残余应力分布形式，表面为
6、残余压应力。，表面为残余压应力。2.表面化学热处理引起的残余应力表面化学热处理引起的残余应力表面化学热处理引起的残余应力分布形式表面化学热处理引起的残余应力分布形式与化学热处理的种类有关。与化学热处理的种类有关。渗碳、渗氮后表层渗碳、渗氮后表层的残余应力为压应力状态，对提高工件的疲劳的残余应力为压应力状态，对提高工件的疲劳强度有利。强度有利。图图2-14 渗碳淬火后的残余应力分布渗碳淬火后的残余应力分布 图图2-15 渗氮后的残余应力渗氮后的残余应力一般影响渗碳淬火试样残余应力的因素一般影响渗碳淬火试样残余应力的因素有：有：（1）渗碳层厚度影响渗碳层厚度影响。随着渗碳深度的。随着渗碳深度的增加
7、，外表层的残余应力有减小的倾向。增加，外表层的残余应力有减小的倾向。（2）试样直径大小的影响试样直径大小的影响。在相同渗碳。在相同渗碳厚度时，试样直径越大则表层的残余压应力厚度时，试样直径越大则表层的残余压应力越高。越高。（3）钢种的影响钢种的影响。因为合金钢渗碳淬火。因为合金钢渗碳淬火时基体也会发生马氏体相变，因此对表面残时基体也会发生马氏体相变，因此对表面残余压应力有减轻的作用。余压应力有减轻的作用。3.焊接残余应力焊接残余应力在一般的各种加工过程中，焊接是比较容在一般的各种加工过程中，焊接是比较容易产生残余应力的加工方法。易产生残余应力的加工方法。焊接残余应力是焊接残余应力是在焊缝及其附
8、近由于焊接的在焊缝及其附近由于焊接的热应力、组织应力热应力、组织应力和拘束应力和拘束应力共同作用而产生的共同作用而产生的。焊接拘束应力焊接拘束应力：包括焊接过程的不均匀加包括焊接过程的不均匀加热和冷却所引起的热应力以及金属的相变应力热和冷却所引起的热应力以及金属的相变应力（合称内拘束应力合称内拘束应力），），也包括结构形式和焊接也包括结构形式和焊接顺序等造成的外拘束应力。内外拘束应力共同顺序等造成的外拘束应力。内外拘束应力共同作用的结果作用的结果，使焊接接头处造成很大的内应力使焊接接头处造成很大的内应力，这是产生冷裂纹的重要因素之一。这是产生冷裂纹的重要因素之一。焊接残余应力的形成原因，可分为
9、：焊接残余应力的形成原因，可分为：（1）直接应力直接应力。这是进行不均匀加热的。这是进行不均匀加热的结果，是取决于加热和冷却时的温度梯度而表结果，是取决于加热和冷却时的温度梯度而表现出来的应力。这是现出来的应力。这是形成焊接残余应力的主要形成焊接残余应力的主要原因原因。（2）间接应力间接应力。这是焊前加工状况所造。这是焊前加工状况所造成的应力。构件若经过轧制或冷拔，都会形成成的应力。构件若经过轧制或冷拔，都会形成残余应力。残余应力。（3）组织应力组织应力。这是由于组织变化而产。这是由于组织变化而产生的应力。组织应力的影响要比直接应力的作生的应力。组织应力的影响要比直接应力的作用小得多。合金钢组
10、织应力作用较强。用小得多。合金钢组织应力作用较强。4.铸造残余应力铸造残余应力铸造残余应力的产生是铸造残余应力的产生是受构件形状和铸受构件形状和铸造技术等影响的造技术等影响的结构应力结构应力以及由于组织和成以及由于组织和成分不同而产生的分不同而产生的组织应力组织应力。铸造残余应力的形成原因：铸造残余应力的形成原因：（1）在构件截面内保持平衡而存在的残在构件截面内保持平衡而存在的残余应力余应力。由于内外温差的影响，表层冷却与。由于内外温差的影响，表层冷却与内层冷却不同时，导致的残余应力。内层冷却不同时，导致的残余应力。（2）构件间相互保持平衡的残余应力构件间相互保持平衡的残余应力。具有两个或两个
11、以上截面的构件，截面积小具有两个或两个以上截面的构件，截面积小的外侧两个构件冷却比中心构件快，导致残的外侧两个构件冷却比中心构件快，导致残余应力。余应力。（3）由于铸造型砂由于铸造型砂的阻力而产生的残余应力的阻力而产生的残余应力。H形工件的各部分同样冷形工件的各部分同样冷却时，图中却时，图中A的部分随着的部分随着冷却而产生的收缩，就会冷却而产生的收缩，就会受到铸型的束缚而产生残受到铸型的束缚而产生残余拉应力。余拉应力。（4）铸件成分的影响铸件成分的影响。含碳量越多，产生的残余应力越小，含碳量越多，产生的残余应力越小，而且而且铸造时对裂纹的发生也不敏感。磷对残余应力铸造时对裂纹的发生也不敏感。磷
12、对残余应力的影响存在最大值，当磷含量在的影响存在最大值，当磷含量在0.6%0.8%时，时，导致的残余应力最大。导致的残余应力最大。5.切削加工残余应力切削加工残余应力金属材料在进行切削（磨削）加工时，金属材料在进行切削（磨削）加工时，在加工过程中与工具相接触部分在外力作用在加工过程中与工具相接触部分在外力作用下要产生下要产生塑性变形塑性变形，当外力去除时，塑性变，当外力去除时，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。因而出现了残余应力。切削加工残余应力对材料性能的影响：切削加工残余应力对材料性能的影响：使构件尺寸稳定性下降，又影响其
13、力学性能使构件尺寸稳定性下降，又影响其力学性能。当外表产生残余拉应力时，构件疲劳强度、当外表产生残余拉应力时，构件疲劳强度、抗腐蚀能力下降。抗腐蚀能力下降。三、残余应力对构件的影响三、残余应力对构件的影响1.对静强度的影响对静强度的影响对已存在残余应力的构件，再由外部施对已存在残余应力的构件，再由外部施加载荷时，作用应力与残余应力的相互作用，加载荷时，作用应力与残余应力的相互作用，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配，当外力作用去除时整个构件将要发生分配，当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显地影响着加工后的变形。所以残余应力明显地影
14、响着加工后的构件精度。构件精度。实践已证明，实践已证明，具有表面残余压应力的构具有表面残余压应力的构件变形稳定性优于具有表面残余拉应力的构件变形稳定性优于具有表面残余拉应力的构件的变形稳定性件的变形稳定性。2.对硬度的影响对硬度的影响硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬度的测定值都在一定程度上受到残余哪种硬度的测定值都在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测得的硬度值有所变动。应力的影响，从而使测得的硬度值有所变动。在压入硬度的情况下，残余应力要影响到压在压入硬度的情况下，残余应力要影响到压入部分周围塑性变形。当入部分周围塑性变形。当有残余拉应力存在有残余
15、拉应力存在时时，压头周围塑性变形开始的较早，并使塑，压头周围塑性变形开始的较早，并使塑性变形区域变大，性变形区域变大，其结果是表现出硬度值下其结果是表现出硬度值下降，残余压应力的影响则较小。降，残余压应力的影响则较小。3.对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响当受到交变载荷的构件存在残余压应力时，当受到交变载荷的构件存在残余压应力时，其疲劳强度就会提高；而存在残余拉应力时，其疲劳强度就会提高；而存在残余拉应力时，其疲劳强度就会下降。其疲劳强度就会下降。因此在实际应用中往往因此在实际应用中往往通过表面硬化处理产生残余压应力，从而有效通过表面硬化处理产生残余压应力，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下
16、，构件表面地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在的是残余拉应力，就要考虑调整残余应力存在的是残余拉应力，就要考虑调整残余应力问题。问题。残余应力对疲劳过程的影响是非常复杂的，残余应力对疲劳过程的影响是非常复杂的，它不仅影响构件疲劳强度的大小，而且影响构它不仅影响构件疲劳强度的大小，而且影响构件疲劳发生后的断裂过程。件疲劳发生后的断裂过程。4.对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响四、消除和调整残余应力的方法四、消除和调整残余应力的方法1.去应力退火（低温退火）去应力退火（低温退火）工艺工艺：将工件缓慢加热到：将工件缓慢加热到Ac1以下以下100200（一般为（一般为
17、500600），保温一定时），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却至间，然后随炉缓慢冷却至200再出炉冷却。再出炉冷却。如表如表2-4作用作用：主要用于消除铸件、锻件、焊接件、：主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力，以降低冷冲压件以及机加工件中的残余应力，以降低工件在使用过程中变形开裂的倾向。工件在使用过程中变形开裂的倾向。2.回火或自然时效处理回火或自然时效处理回火回火：把淬火后的钢件，重新加热到：把淬火后的钢件，重新加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后，以适当的冷以下某一温度，保温一定时间后，以适当的冷却速度冷至室温的热处理工艺，称为回火。却速度冷至室温的热处理工
18、艺，称为回火。回火的作用回火的作用：消除淬火产生的残余应力。：消除淬火产生的残余应力。一般为了避免组织变化产生残余拉应力，在一般为了避免组织变化产生残余拉应力，在100200回火。回火。自然时效自然时效：经固溶处理后的合金，在室温：经固溶处理后的合金，在室温下，随时间延长而发生强化的现象。下，随时间延长而发生强化的现象。自然时效的作用自然时效的作用：可降低残余应力：可降低残余应力10%30%。3.机械法机械法加静载：反复弯曲法、旋转扭曲法、拉加静载：反复弯曲法、旋转扭曲法、拉伸法。伸法。加动载：振动或锤击。加动载：振动或锤击。作业作业2-1 失效的来源有哪些？失效的来源有哪些？2-2 影响应力集中的因素有哪些？影响应力集中的因素有哪些？
