材料宏微观力学性能材料的残余应力.pdf

第六章 材料的残余应力
在零件或材料生产过程中，内部不可避免地会产生残余应力(Residual Stress)，其大小和
分布随加工或处理方法不同而有很大的差别。
残余应力的影响在制造过程中就可以表现出来。例如零件翘曲变形或开裂，都与制造工
艺规范不当造成不合理的残余应力有关。在这种情况下，需要对残余应力进行测定或估计，
采用适当的措施来减小残余应力或改进其分布，消除这些工艺缺陷。
残余应力的存在对于材料性能及零件的机械性能产生重大影响。例如表面残余压应力有
利于减小回火玻璃中表面裂纹的危害性，模铸塑料制品中的残余应力会造成曝露于溶剂中的
塑料制品表面突然破裂；残余应力会改变塑性材料从弹性行为过渡到塑性行为的载荷点，尤
其显著地影响金属材料的疲劳性能。
残余应力概论
残余应力的产生
残余应力的产生原理
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)和残余应力是固有应力的
一种。而固有应力也被一些研究者称为内应力(Internal Stress)[1-4]。
现用最简单的例子说明残余应力的产生。图 所示是 1912 年由 Martens、Heyn 等提
出的。设有三个弹簧，图 (a)为自由状态，图 (b)是用刚性板将弹簧的上下两端连接起
来的状态。此时并没有从外部施加作用力，而各个弹簧之间却产生了相互的作用力。如各弹
簧的长度和弹性常数为 l1、l2、l3 和 c1、c2、c3，刚性扳连接后的长度为 l 时，则各弹簧上产
生的力 P1 、P2 、P3 分别为 p1 = c1 (l − l1 ) ； p2 = c2 (l − l2 ) ； p3 = c3 (l − l3 ) 。P1 、P2 、
P3 即相当于残余应力，并且 p1 + p2 + p3 = 0 。
—般，物体内部残余应力的产生过程可用图 说明[4]。现在，从没有任何应力作用的
a2
a3 a3
a1 a2
l l l
l
1 a1 2 3
(b)
(a)
图 用弹簧模型说明残余应力产生的示意图
物体内部 R 区域内，切取图中所示之正方形 A 部
分。接着将切下的 A 部分用任意的操作使之进行
R
体积变化和形状变化而成为 B 的形状。可以想象
若将其再放入 R 区域内，使其成为(c)所示的那样，
则需由侧面施加作用力使之变形，再如(d)所示将
(d) (e)
它放到原先的 R 内。若将施加的这个力释放时，