1.什么是殘余應(yīng)力

    還記得小時(shí)候的黑白電視嗎？電視在開機(jī)時(shí)后蓋會(huì)發(fā)熱，等關(guān)機(jī)后的一段時(shí)間電視后蓋的部位會(huì)“嘭”的一聲響一下，有時(shí)候聲音還挺大，這個(gè)生活里常見的現(xiàn)象就與殘余應(yīng)力有關(guān)。殘余應(yīng)力（Residual Stress）是工件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響就是殘余應(yīng)力。從能量作功的角度來理解，外力使物體發(fā)生塑性變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致物體內(nèi)部發(fā)生變形，因而積累一部分能量；當(dāng)外力消除后，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的能量要進(jìn)行釋放，如果物體的脆性低，則物體會(huì)緩慢變形，脆性高則形成裂紋。
 

    殘余應(yīng)力在機(jī)械制造中非常常見，往往各個(gè)工藝都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不過，從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)成三類。

    第一類是不均勻的塑性變形，第二類是不均勻的溫度變化，第三類是不均勻的相變。開頭小編舉了電視機(jī)的例子，就是由于電視機(jī)后蓋冷卻不均勻?qū)е聝?nèi)部產(chǎn)生了殘余熱應(yīng)力，積累到一定程度后導(dǎo)致電視機(jī)機(jī)殼驟然收縮產(chǎn)生了嚇人的聲音。

    2.殘余應(yīng)力的危害

    從殘余應(yīng)力的分類可以看出，殘余應(yīng)力會(huì)引起物體緩慢變形，導(dǎo)致物體尺寸的改變，導(dǎo)致機(jī)械加工工件尺寸不合格，儀器生產(chǎn)中導(dǎo)致整臺(tái)儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造工件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，同時(shí)對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命等也有著十分重要的影響。例如：鋼板在裁剪時(shí)邊上受力不均勻，因此隨著時(shí)間的推移四個(gè)角慢慢上翹；鑄件在冷卻的過程中，由于工藝的不合理導(dǎo)致冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致鑄件斷裂；熱處理的淬火過程中，過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)容易導(dǎo)致材料斷裂。

鑄件冷卻時(shí)斷裂

    3.殘余應(yīng)力的測(cè)量

    對(duì)于殘余應(yīng)力的測(cè)量，從大類上可以分為機(jī)械法、化學(xué)法和X射線法三種。

    機(jī)械法中最為常見的是鉆孔法（也稱盲孔法），操作時(shí)從物體上截取一段長(zhǎng)度為其直徑三倍的棒材（或管材），在其中心鉆一通孔，然后用膛桿或鉆頭從內(nèi)部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除后測(cè)量試樣長(zhǎng)度的延伸率和直徑的延伸率。繪制這些數(shù)值與鉆孔剖面積的關(guān)系曲線，用作圖法求出曲線上任意一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)，表征延伸率與鉆孔剖面的變化率，然后代入相應(yīng)的應(yīng)力公式即可得到殘余應(yīng)力值。

    化學(xué)法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當(dāng)?shù)娜芤褐校瑴y(cè)量出自開始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經(jīng)過時(shí)間，按此經(jīng)過的時(shí)間來判斷殘余應(yīng)力的大小，所用的溶液，對(duì)于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對(duì)于鋼可用弱堿及硝酸鹽類；另一種想法是將試樣吊浸在適當(dāng)?shù)娜芤豪铮粢欢〞r(shí)間來稱其重量。這樣就可以得到一個(gè)重量減小量與經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，以判定殘余應(yīng)力的大小，所得到的曲線的位置比標(biāo)準(zhǔn)曲線越高，則表示物體內(nèi)的殘余應(yīng)力越大。

    X射線法可利用X射線穿透金屬件，其中勞埃法是通過干擾斑點(diǎn)形狀的變化來定性地確定殘余應(yīng)力。當(dāng)無殘余應(yīng)力存在時(shí)，各干擾斑點(diǎn)呈點(diǎn)狀分布。有殘余應(yīng)力時(shí)，各干擾斑點(diǎn)伸長(zhǎng)，呈“星芒”狀。德拜法可以定量地測(cè)出所存在的殘余應(yīng)力，具體可以根據(jù)德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強(qiáng)度的變化來確定。

X射線法原理示意

    總結(jié)一下，機(jī)械法和化學(xué)法是有損測(cè)試方法，需要對(duì)待測(cè)物體局部取樣，而且測(cè)試后損壞不可逆；X射線法是一種無損測(cè)試方法，可保持物體的完整性。機(jī)械法能夠較為精確地確定殘余應(yīng)力的大小和分布，一般適用于棒形或管形的物體；化學(xué)法適用于金屬絲、薄片類型的物體，但化學(xué)法只能進(jìn)行定性判斷，很難做到定量描述；X射線法雖然是一種“非破壞性”的方法，但此方法僅適用于能夠給出較清晰敏銳的衍射線條的某些材料，并由于X射線的投射能力較小，只能探明物體接近表面部分的情況。

    4.殘余應(yīng)力的消除

    既然殘余應(yīng)力危害這么多，那么行之有效的消除方法就顯得十分必要了。消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動(dòng)時(shí)效和機(jī)械處理四種方法。

熱處理之退火處理

    熱處理就是利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力，一般采用退火、回火等方式進(jìn)行處理。靜載荷加壓，就是使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形來調(diào)整工件的殘余應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡(jiǎn)稱VSR。振動(dòng)時(shí)效處理是工程材料常用的一種消除其內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力的方法，是通過振動(dòng)，使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力和附加的振動(dòng)應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過材料屈服強(qiáng)度的時(shí)候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕。機(jī)械處理，就是利用物體表面產(chǎn)生很小的塑性變形的方法來減小殘余應(yīng)力，包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘余應(yīng)力。

    5.航空零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    航空制造業(yè)在材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面具有鮮明的行業(yè)特征。

    首先，框架類整體結(jié)構(gòu)件因其良好的力學(xué)性能而成為航空領(lǐng)域重要的承力構(gòu)件，如飛機(jī)的大梁、隔框、壁板和翼肋等。這類構(gòu)建通常是由預(yù)拉伸厚板或整體模鍛件經(jīng)機(jī)加工而成，加工量很大，加工精度要求高，加工變形控制難度大，因而在這些環(huán)節(jié)下殘余應(yīng)力的影響更顯著和重要，需要予以格外的關(guān)注。

    其次，航空零部件制造中廣泛使用7075、7050、2024和6061等變形鋁合金，這類鋁合金結(jié)構(gòu)件毛坯在成型與熱處理過程中常常產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致很大的加工變形，另外會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking）的敏感性增加，容易造成早期疲勞失效；由于材料的特殊性因素，也使得殘余應(yīng)力成為航空零部件制造中非常關(guān)鍵的一環(huán)。

    再者，飛機(jī)在起降和飛行的過程中，面臨著復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境和多變的氣動(dòng)載荷，航空發(fā)動(dòng)機(jī)也同時(shí)處于熱力耦合的復(fù)雜環(huán)境中；可以說，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)零部件均需要在復(fù)雜甚至惡劣的環(huán)境下工作。前面講到的不均勻外力和熱力環(huán)境，都是殘余應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵誘導(dǎo)因素，這對(duì)于航空零部件提出了很高的要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪處于典型的熱力耦合環(huán)境中

    講了這么多，可以看出殘余應(yīng)力害處很多，但俗話說，each coin has two sides，它真的就那么十惡不赦么？咳咳，其實(shí)適當(dāng)?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯?yīng)力能夠提高工件疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長(zhǎng)其使用壽命。比如噴丸強(qiáng)化，將高速?gòu)椡枇鲊娚涞焦ぜ砻妫构ぜ韺影l(fā)生塑性變形，從而形成一定厚度的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，表面壓應(yīng)力的存在可以抵消一部分承受的外來拉應(yīng)力，從而提高工件的疲勞強(qiáng)度。