表面殘余應(yīng)力

1、表面殘余應(yīng)力 胡宏宇（浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310032） 摘要：殘余應(yīng)力主要是由構(gòu)件內(nèi)部不均勻的塑性變形引起的。各種工程材料和構(gòu)件在毛坯的制備、零件的加工、熱處理和裝配的過程中都會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力因其直觀性差和不易檢測等因素往往被人們忽視。殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響構(gòu)件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和腐蝕開裂。特別是在承力件和轉(zhuǎn)動件上，殘余應(yīng)力的存在易導(dǎo)致突發(fā)性破壞且后果往往十分嚴(yán)重。因此，研究殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、檢測手段、消除方法以及殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響 Rossini R S，Dassisti M，Benyounis KYet a1Methods of

2、measuring residual stresses in componentsMaterials and Design，2012，35 ：572-588。關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力；切削變形；磁測法；噴丸強(qiáng)化；Surface residual stress（School of mechanical engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）Abstract：Residual stress is mainly caused by the uneven plastic deformation of compon

3、ent. All kinds of engineering materials in the preparation of blank, parts and components processing, heat treatment and assembly process will produce different degree of residual stress. Residual stress because of its intuitive factors such as poor and difficult to detect is often neglected. Seriou

4、sly affect the residual stress of component machining precision and dimension stability, static strength, fatigue strength and corrosion cracking. Especially on the bearing and rotating parts, the existence of the residual stress can lead to sudden destruction and the consequences are often very ser

5、ious. Therefore, to study the mechanism of residual stress, detection means, elimination method and the influence of residual stress of components。Key words：Residual stress；machiningdeflection；magnetic method；Shot peening strengthening；前言 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，大飛機(jī)、高鐵、核設(shè)施等大型設(shè)備相繼出現(xiàn)；這些設(shè)備具有高速、重載和長時(shí)間運(yùn)行的特點(diǎn)，其零部件工作環(huán)境

6、惡劣、復(fù)雜，且往往對安全性有著極其苛刻的要求，因而對這些設(shè)備的關(guān)鍵部件，如軸承、曲軸、傳動軸的疲勞壽命和可靠性也有很高的要求，對它們的疲勞壽命預(yù)測和分析成為研究的重點(diǎn) 金屬切削加工是一個伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)率的塑性大變形過程, 在已加工表面上存在著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力; 同時(shí)又由于切削過程切削力和切削熱作用及刀具與工件的摩擦等綜合因素的影響, 使得零件內(nèi)部初始的殘余應(yīng)力重新分布并與表面層殘余應(yīng)力耦合作用形成新的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。殘余應(yīng)力以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部, 是固有應(yīng)力域中局部內(nèi)應(yīng)力的一種。殘余應(yīng)力是一種不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài), 當(dāng)物體受到外力作用時(shí), 作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互作用, 使其某些局部呈

7、現(xiàn)塑性變形, 截面內(nèi)應(yīng)力重新分配; 當(dāng)外力作用去除后, 整個物體由于內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用將發(fā)生形變。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，工件的疲勞壽命和加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)有重要的關(guān)系：殘余壓應(yīng)力能抑制工件的疲勞破壞，延長疲勞壽命；殘余拉應(yīng)力則相反，會加速疲勞破壞的出現(xiàn) 桂壽平，黃培彥，何秋港口起重機(jī)疲勞破壞成因與修復(fù)措施探討J華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，22(2)：29-32因此，了解和控制工件已加工表面的殘余應(yīng)力，使零件已加工表面呈現(xiàn)穩(wěn)定而較大的壓應(yīng)力狀態(tài)，已成為加工出高質(zhì)量和高可靠性零件的關(guān)鍵1 殘余應(yīng)力的定義 1.1 殘余應(yīng)力的定義 構(gòu)件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作

8、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稱為殘留應(yīng)力或殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。凡是沒有外部作用，物體內(nèi)部保持自相平衡的應(yīng)力，稱為物體的固有應(yīng)力，或稱為初應(yīng)力，亦稱為內(nèi)應(yīng)力。 殘余應(yīng)力是指在沒有外力作用于物體時(shí)，物體內(nèi)部保持平衡的應(yīng)力。在沒有外力的作用下，物體內(nèi)部保持平衡的應(yīng)力稱為固有應(yīng)力，殘余應(yīng)力是固有應(yīng)力的一種 米谷茂殘余應(yīng)力的參數(shù)和對策朱荊璞，邵會孟，譯北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983。1.2 殘余應(yīng)力的分類 殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)是多種多樣的, 隨材

9、料的性能、產(chǎn)生條件不同而不同, 分類的方法也不一致。1925 年格馬辛、Mura T、達(dá)維金科夫H.H 分別提出了殘余應(yīng)力的界定方法。根據(jù)殘余應(yīng)力的相互影響范圍大小可將殘余應(yīng)力分為宏觀殘余應(yīng)力(Macrresidual stress) 和微觀殘余應(yīng)力(Micro residualstress) 。1973 年德國學(xué)者E.Macherauch 又將宏觀殘余應(yīng)力稱為第一類殘余應(yīng)力, 將微觀殘余應(yīng)力劃歸為第二類、第三類殘余應(yīng)力。第一類殘余應(yīng)力稱為宏觀殘余應(yīng)力它在材料較大范圍內(nèi)或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡, 在多個連續(xù)晶體范圍內(nèi)保持常數(shù), 它的大小、方向和性質(zhì)可用切削加工表面殘余應(yīng)力研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展

10、通常的物理或機(jī)械方法進(jìn)行測量。如果第一類殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的力或力矩的平衡狀態(tài)遭到破壞, 將導(dǎo)致構(gòu)件宏觀尺寸的變化。通常由于切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是指宏觀殘余應(yīng)力。根據(jù)加工殘余應(yīng)力的性質(zhì)不同, 可分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力, 應(yīng)力的大小隨表層的深度而變化。第二類殘余應(yīng)力稱為微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力( Structurasstress) , 它存在于晶粒尺度內(nèi)并且保持平衡, 在一個或幾個晶粒的部分范圍內(nèi)保持均勻。如果第二類殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)得到改變, 也會造成宏觀尺寸的變化。第三類殘余應(yīng)力稱晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力( Substructural stress) 標(biāo)記為r它是在晶粒若干個原子范圍內(nèi)存在并在晶粒的小部分內(nèi)保持平

11、衡,在晶體亞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)大小不均勻。第三類殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞, 不會引起宏觀尺寸的變化。在大多數(shù)情況下, 宏觀殘余應(yīng)力與微觀殘余應(yīng)力總是同時(shí)存在的, 產(chǎn)生第一類殘余應(yīng)力的加工過程必須伴隨第二、第三類殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。2 切屑形成過程及變形區(qū)的劃分 2.1切削變形 金屬的切削過程與金屬的擠壓過程很相似。金屬材料受到刀具的作用以后，開始產(chǎn)生彈性變形；雖著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，開始產(chǎn)生塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移；刀具再繼續(xù)前進(jìn)，應(yīng)力進(jìn)而達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，便會產(chǎn)生擠裂。 2.2變形區(qū)的劃分 大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，塑性金屬切削過程中切屑的形成過程就是

12、切削層金屬的變形過程。切削層的金屬變形大致劃分為三個變形區(qū)：第一變形區(qū)（剪切滑移）、第二變形區(qū)（纖維化）、第三變形區(qū)（纖維化與加工硬化）。 圖1 切削變形區(qū) 2.3切屑的形成及變形特點(diǎn) 第一變形區(qū)（近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)） 金屬的剪切滑移變形切削層受刀具的作用，經(jīng)過第一變形區(qū)的塑性變形后形成切屑。切削層受刀具前刀面與切削刃的擠壓作用，使近切削刃處的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，并同時(shí)使金屬晶格產(chǎn)生滑移。第一變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)，其變形特點(diǎn)是切削層產(chǎn)生剪切滑移變形。 第二變形區(qū)（與前刀面接觸的切屑層產(chǎn)生的變形區(qū)） 內(nèi)金屬的擠壓磨擦變形經(jīng)過第一變形區(qū)后，形成的切屑要沿前刀面方

13、向排出，還必須克服刀具前刀面對切屑擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。此時(shí)將產(chǎn)生擠壓摩擦變形。應(yīng)該指出，第一變形區(qū)與第二變形區(qū)是相互關(guān)聯(lián)的。前刀面上的摩擦力大時(shí)，切屑排出不順，擠壓變形加劇，以致第一變形區(qū)的剪切滑移變形增大。 第三變形區(qū)（近切削刃處已加工表面內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)）金屬的擠壓磨擦變形已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓摩擦，造成纖維化和加工硬化。 圖2 切削過程2 切削加工表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理目前, 關(guān)于殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理, 從理論上定量分析還存在困難。下面僅從已加工表面形成過程的角度分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理。 （1）機(jī)械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力 工件裝夾時(shí), 如果夾緊力過大, 將會使工件發(fā)生塑性變形

14、, 從而使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。切削過程中,刀刃前方的工件材料受到前刀面的擠壓, 從而使將成為已加工表面層的金屬, 在切削方向產(chǎn)生壓縮的塑性變形; 而在與已加工表面垂直方向產(chǎn)生拉伸塑性變形; 切削后受到與之連成一體的里層未變形金屬的牽制, 從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在已加工表面形成過程中, 刀具的后刀面與已加工表面產(chǎn)生很大的擠壓和摩擦, 使表層金屬產(chǎn)生拉伸塑性變形, 刀具離開后, 里層金屬的彈性變形趨向恢復(fù), 但受到表層金屬的牽制,因而也產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 （2）熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力切削時(shí), 由于強(qiáng)烈的塑性變形與摩擦, 使已加工表面層的溫度很高; 而里層溫度很低, 形成不均勻的溫度分布, 因此, 當(dāng)熱應(yīng)力超過

15、材料的屈服極限時(shí),將使表層金屬產(chǎn)生壓縮變形, 切削后冷卻至室溫時(shí),表層金屬體積的收縮又受到里層金屬的牽制, 因而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 （3）相變引起的殘余應(yīng)力切削時(shí), 若表層溫度大于相變溫度, 則表層組織可能發(fā)生相變, 由于各種金相組織的體積不同, 從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在切削過程中, 引起不均勻塑性變形的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是同時(shí)存在的, 所以殘余應(yīng)力的計(jì)算是一個熱- 力耦合的熱彈塑性問題。3 影響切削殘余應(yīng)力的因素 工件已加工表面殘余應(yīng)力的性質(zhì)和大小受很多因素的影響。掌握這些因素的影響規(guī)律并合理選擇，對于降低殘余應(yīng)力和優(yōu)化切削過程是很有必要的。 3.1工件材料的影響 工件材料本身狀態(tài)及其物理機(jī)械性能對加

16、工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生直接影響。實(shí)驗(yàn)表明：塑性好的材料切削加工后通常產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；塑性差的材料則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。根據(jù)工件材料的具體初始應(yīng)力狀態(tài)，切削加工可能使工件內(nèi)殘余應(yīng)力值“增大”或“減小” 周澤華主編金屬切削原理(第二版)上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993。 3.2切削參數(shù)的影響 切削速度的影響一般是通過“溫度因素”來進(jìn)行的 蔡在檀金屬切削原理上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1994。切削速度較低時(shí)，易產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；切削速度較高時(shí)，由于切削溫度升高，易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。增加進(jìn)給量和切削深度時(shí)，被切削層金屬的截面及體積增大，使刀刃前的塑性變形區(qū)和變形程度增加；如果此時(shí)切削速度較高，則溫度因素的影響也有所

17、加強(qiáng)，因此表面殘余拉應(yīng)力將增加，其達(dá)到的深度也增大。 3.3刀具參數(shù)的影響 當(dāng)增大刀具的前角、后角，減小刀尖的圓弧半徑和切削刃的鈍圓半徑時(shí)，殘余應(yīng)力減小，其達(dá)到的深度也減小。Robert D Halverstadt特別強(qiáng)調(diào)，刀具的鋒利性、后刀面的磨損或鈍圓半徑對殘余應(yīng)力的影響很大，其次是刀具前角 Robert D HalverstadtHow to minimize and structural phenomena of high-s ngth steel surface duetoEMD and ball-dropform-ingCIRP，1988，31(1)：531536。4.殘余應(yīng)力的檢

18、測4 . 1盲孔法殘余應(yīng)力測量它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應(yīng)力場上鉆孔 ，以去除一部分具有應(yīng)力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內(nèi)的應(yīng)力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應(yīng)力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或應(yīng)變，通過高靈敏度的應(yīng)變儀，測量鉆孔后的應(yīng)變 量，就可以計(jì)算原應(yīng)力場的應(yīng)力值。 殘余應(yīng)力檢測儀主要采用盲孔法進(jìn)行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究，還可作為在靜力強(qiáng)度研究中測量結(jié)構(gòu)及材料任意點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器。如果配用相應(yīng)的傳感器，也可以測量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。它以計(jì)算機(jī)為中央微處理機(jī)，采用高精度測量放大器、數(shù)據(jù)采集和處理器，測量中無需調(diào)零

19、，可直接測出殘余應(yīng)力值的大小及方向，實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力測量的自動化。 圖3 ZS21B型盲孔法殘余應(yīng)力檢測儀4 .2切槽法這種方法就是在構(gòu)件上進(jìn)行切槽, 由于切槽而形成殘余應(yīng)力的釋放區(qū), 用應(yīng)變花測定此部分的應(yīng)變求出殘余應(yīng)力的方法。此處假定由于切槽而形成的彼此孤立的部分內(nèi)殘余應(yīng)力是均勻一致的, 并且認(rèn)為溝槽所包圍的部分內(nèi), 其殘余應(yīng)力完全被釋放,常用的有Gunnert 法和Kunz 法。4 .3壓痕法在工件待測點(diǎn)中心放置軸承鋼球, 通過沖擊或靜壓的方法施加一定的沖擊功或靜壓力, 使其在工件表面產(chǎn)生球冠形壓痕, 在壓痕周圍產(chǎn)生一定的疊加應(yīng)力并形成一定的應(yīng)變, 該應(yīng)變值由壓痕周圍的應(yīng)變花測得。它對工件

20、所造成的破壞小, 測量方便、迅速、標(biāo)距小, 適于應(yīng)力梯度變化大的場合。4 .4 磁測法殘余應(yīng)力測量 磁測法殘余應(yīng)力檢測法主要是通過磁測法來測定鐵磁材料在內(nèi)應(yīng)力的作用下磁導(dǎo)率發(fā)生的變化確定殘余應(yīng)力的大小和方向。眾所周知，鐵磁材料具有磁疇結(jié)構(gòu)，其磁化方向?yàn)橐状呕S向方向，同時(shí)具有磁致伸縮性效應(yīng)，且磁致伸縮系數(shù)是各向異性的，在磁場作用下，應(yīng)力產(chǎn)生磁各向異性。磁導(dǎo)率作為張量與應(yīng)力張量相似。通過精密傳感器和高精度的測量電路，將磁導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出電?或電壓)值來反映應(yīng)力值的變化，并通過裝有特定殘余應(yīng)力計(jì)算機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)計(jì)算，得出殘余應(yīng)力的大小、方向和應(yīng)力的變化趨勢。 圖4 型磁測法殘余應(yīng)力檢測

21、儀 4 .5 X射線衍射法殘余應(yīng)力測量在各種無損測定殘余應(yīng)力的方法之中，X射線衍射法被公認(rèn)為最可靠和最實(shí)用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了七十余年的進(jìn)程，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)，取得了卓著成果。X-射線應(yīng)力測定儀是一種簡化和實(shí)用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項(xiàng)附加的功能測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件，而且能夠針對同一點(diǎn)以不同的角、角進(jìn)行測試,以探測織構(gòu)的影響，這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。圖5X射線衍射5 殘余應(yīng)力的消除方法 殘余應(yīng)力的存在會嚴(yán)重影響零件的加工精度、使用性能以及使用壽命。因此，必須采取相應(yīng)的工藝來降低或消除不良的殘余應(yīng)力。在切削加工后采取一

22、些處理措施，也可對已加工表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，表面強(qiáng)化處理就是目前較常用的方法之一。表面強(qiáng)化處理工藝是通過對工件表面的冷擠壓使之發(fā)生冷態(tài)塑性變形，從而提高其表面硬度、強(qiáng)度，并形成表面殘余壓應(yīng)力的加工工藝。常用的表面強(qiáng)化工藝有噴丸強(qiáng)化和滾壓強(qiáng)化。 （1）噴丸強(qiáng)化 噴丸強(qiáng)化是利用大量高速運(yùn)動中的珠丸沖擊工件表面，使打擊處發(fā)生塑性變形和塑性流動，表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力。珠丸大多采用鋼丸，利用壓縮空氣或離心力進(jìn)行噴射 這種方法適用于不規(guī)則表面和形狀復(fù)雜的表面，如彈簧、連桿等的強(qiáng)化。 圖 齒輪噴丸 圖 數(shù)控噴丸設(shè)備 （2）滾壓強(qiáng)化 滾壓強(qiáng)化是用可自由旋轉(zhuǎn)的滾子對工件表面均勻地加力擠壓，使表面得到強(qiáng)

23、化并在表面形成殘余壓應(yīng)力，適用于規(guī)則表面如外圓、孔和平面等的強(qiáng)化加工，可在原機(jī)床上加裝滾壓工具進(jìn)行。此外，采用退火處理、振動時(shí)效等人工時(shí)效方法，也可松弛表面層的殘余應(yīng)力。 （3）預(yù)應(yīng)力切削 預(yù)應(yīng)力切削是一種通過切削工藝使機(jī)械零件加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的方法 胡華南，周澤華，陳澄洲 預(yù)應(yīng)力加工表面殘余應(yīng)力的理論分析J華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，194，22(2)：1 9，即切削前預(yù)先給工件施加一個彈性范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力，切削過程中工件加工表面會產(chǎn)生塑性變形，切削后釋放該預(yù)應(yīng)力，由于基體的彈性恢復(fù)，已加工表面會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力切削只需通過切削加工就能使加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，且不需要昂貴的設(shè)備

24、，亦不會引起額外的加工表面硬化，因此其發(fā)展前景良好。葉邦彥、彭銳濤 葉邦彥，彭銳濤，等預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削的殘余應(yīng)力及表面形態(tài)J華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2OO8，36(4)：6 9等人采用預(yù)應(yīng)力切削法對軸承套圈進(jìn)行硬態(tài)切削，深入研究了預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切方法對套圈已加工表面的殘余應(yīng)力、表面粗糙度以及表面形態(tài)等參數(shù)的影響，結(jié)果表明，該方法可以在軸承套圈加工表面獲得合適的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)和良好的表面質(zhì)量。 除此以外，保證零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，盡量避免尖角和壁厚不均等結(jié)構(gòu)；優(yōu)化加工工藝路線并在每個工藝選擇合理的加工參數(shù)，降低零件在每個加工工序中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)通過合理的加工工藝的配合來降低殘余應(yīng)力。自然時(shí)效處理，把工件在室內(nèi)或室外放置一段時(shí)間，在晝夜溫差和復(fù)雜的“環(huán)境振蕩”的作用下工件內(nèi)部的原子發(fā)生微觀位移和促進(jìn)工件在宏觀意義下的塑性變形，從而達(dá)到降低殘余應(yīng)力的目的。這種方法需要的時(shí)間較長，且消除殘余應(yīng)力的能力有限。 人工時(shí)效處理 ，最常見的人工時(shí)效處理是時(shí)效退火。由于材料的屈服強(qiáng)度會隨著溫