金屬構件中殘余應力的產(chǎn)生和消除方法

黃宏俊

（鄭州交通職業(yè)學院 車輛工程系，河南 鄭州 450062）

殘余應力是指金屬構件（鑄件、鍛件、焊接件）在加工過程中由于受到不均勻的應力場、應變場、溫度場和組織不均勻性，在變形后的變形體內保留下來的應力。殘余應力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕和失穩(wěn)破壞的主要原因，由于殘余應力的松弛，還會使零件產(chǎn)生變形，大大影響工件的尺寸精度。因此控制和消除構件的殘余應力十分必要。

1 殘余應力產(chǎn)生的原因

（1）塑性變形引起的機械應力。在切削力作用下，已加工表面受到強烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對已加工表面的擠壓和摩擦產(chǎn)生的塑性變形最為突出，此時基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力除去后，基體金屬趨向恢復，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，恢復不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余壓應力。

（2）切削溫度引起的熱應力。工件加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此表層金屬產(chǎn)生熱壓應力。當切削過程結束時，表面溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于表層變形受到基體金屬的限制，故而產(chǎn)生殘余拉應力。切削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應力也越大，有時甚至產(chǎn)生裂紋。磨削時產(chǎn)生的熱塑性變形比較明顯。

（3）相變引起的體積應力。切削加工時，刀具與工件的摩擦會產(chǎn)生高溫，當切削區(qū)域溫度高于材料相變溫度時金屬表層組織可能發(fā)生相變。由于各種金相組織的不同，從而產(chǎn)生殘余應力。例如：磨削淬火鋼時若表面產(chǎn)生回火現(xiàn)象，馬氏體轉變?yōu)榍象w或索氏體，因體積減小，表層產(chǎn)生殘余拉應力，里層產(chǎn)生殘余壓應力。若表面產(chǎn)生二次淬火現(xiàn)象則表面層產(chǎn)生二次淬火馬氏體，其體積比里層的回火組織大，因而表層產(chǎn)生殘余壓應力，里層產(chǎn)生殘余拉應力。

實際上機械加工后表層上的殘余應力是復雜的，是由上述三種原因綜合作用的結果。在一定條件下，其中某一種或兩種原因起主導作用。

2 殘余應力影響因素

影響工件機械加工表面殘余應力的因素有很多，本文主要從工件材料、刀具和切削用量三個方面加以分析。

（1）工件材料方面。塑性大的金屬材料，一般會產(chǎn)生拉應力，塑性越大，拉應力越大，切削脆性材料時通常產(chǎn)生殘余壓應力。合理選擇工件材料可以減少殘余應力的影響。

（2）刀具方面。刀刃圓弧半徑和刀具前角對殘余應力有重要影響。隨著圓弧半徑的增大,殘余應力數(shù)值增大,應力層的厚度有輕微增大趨勢；隨著前角的增大,殘余應力數(shù)值減小,拉應力層厚度減小,而壓應力層厚度增大。

（3）切削用量方面。進給量和車削速度的變化主要影響車削表面殘余應力,殘余應力的大小隨進給量或車削速度增大呈線性增長趨勢；車削深度對機加工殘余應力場分布深度影響較大。實際應用中應根據(jù)不同目的確定車削用量的選擇方案，側重減小表面殘余拉應力時,要選取較小的進給量和車削速度；側重較小的機加工應力分布層深度時,要選取小的車削深度。

3 控制和消除殘余應力的方法

由于殘余應力會對構件質量產(chǎn)生諸多不良影響，故相關專業(yè)人士對該領域展開了諸多研究，本文在參閱相關文獻的基礎上，結合多年理論、實踐教學經(jīng)驗，系統(tǒng)化提出了消除和控制構件中殘余應力的方法。

（1）自然時效。將構件露天放置于室外，經(jīng)過幾個月甚至幾年的時間使殘余應力發(fā)生松弛，從而使構件尺寸精度獲得穩(wěn)定。該方法簡單易行，但生產(chǎn)周期長，不易管理，不能及時發(fā)現(xiàn)構件內的缺陷，而且只能降低少量的殘余應力。

（2）熱時效。將構件緩慢均勻的加熱到塑性狀態(tài)的溫度范圍內（550℃左右），保溫一段時間（4～8h），再緩慢冷卻。熱時效工藝要求比較嚴格，升溫和降溫的速度對熱時效的效果影響很大。該法是目前生產(chǎn)中應用最廣泛、效果最好的一種應力消除方法。但耗能大、成本高且污染嚴重。

（3）振動時效。國外稱之為"V.S.R"技術。它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使構件共振，進而松弛殘余應力，提高構件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的方法。該法成本低、設備簡單、時間比較短，可避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。已在生產(chǎn)上得到一定的應用。

（4）爆炸法。是利用爆炸沖擊波的能量使構件應變區(qū)產(chǎn)生塑性變形，從而達到降低或消除殘余應力的目的。該法常用于焊接構件，爆炸處理不僅可以完全消除焊接區(qū)殘余拉應力，根據(jù)需要還可以在焊接區(qū)造成殘余壓應力。

（5）熱沖擊時效法，1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時效工藝法。其實質就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應力正好與殘余應力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始殘余應力很快松弛并穩(wěn)定化。

（6）聲波時效法，超聲波時效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達國家得到推廣。該方法起先主要應用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應力非常嚴格的軍事領域。但是由于超聲波法只能解決構件表層一定深度內的應力問題，所以相對應用環(huán)境較窄，且成本頗高。

（7）其它方法，打壓法、錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強化是行之有效、應用廣泛的強化零件的手段，噴丸的同時也改變了表面殘余應力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力又是強化機理中的重要因素。

4 結語

在冷、熱加工過程中，構件內部不可避免地會產(chǎn)生殘余應力，使構件的性能和使用壽命受到很大負面的影響。因此，在實際生產(chǎn)過程中，需要針對殘余應力產(chǎn)生的原因以及影響因素，通過選用合理的工藝手段、刀具、切削參數(shù)等調整和控制殘余應力，采用恰當?shù)拇胧┫龢嫿ㄖ械臍堄鄳Α?/p>

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