影响表面残余应力的主要因素

CAE知识点总结1.CAE作用：在模具加工前，在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。

(或者是它能够在产品设计阶段及开模之初，利用计算机对整个成型过程进行分析拟准确预测模具可能出现的问题，并能够为设计者提供可靠地解决方案。

)2.CAE的基本流程：前处理——分析计算——后处理注塑成型CAE的作用：优化塑料制品设计、优化塑料模具设计、优化注射工艺参数。

热注塑成型过程：把塑料原料加入注射机料筒中，经过螺杆的旋转使塑料向前输送，同时机筒加热使其溶化成熔体，储存在注射机筒前端，当螺杆作为加压工具快速向前推进时，塑料熔体已告压通过喷嘴注入磨具型腔中经过冷却、凝固后从磨具中脱出，成为塑料制品。

热注塑成型过称分为以下阶段：（1）塑化阶段（2）注射充模阶段（3）冷却凝固阶段（4）脱模阶段3.注塑成型工艺参数：（1）温度：机筒温度、喷嘴温度、模具温度；（2）压力：塑化压力、注射压力、保压压力；（3）时间（成型周期）：注射充模时间、保压时间、冷却时间、预塑时间以及其他辅助时间（开模、脱模、嵌件安放、闭模）。

4.一般CAE软件的结构，分为几个模块？前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。

有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。

大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。

一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。

后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。

2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响
砂轮的粒度
磨粒间的距离
磨粒的大小
砂轮的粒度号越大， 磨粒和磨粒间离越小
砂轮的粒度号↑ ，参与磨削的磨粒↑ ，粗糙度↓ ；
修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大； 纵向进给量↓ ，砂轮表面的等高性越好 ，粗糙度 ↓ ；
（2）金属表面层的塑性变形 在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋 利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用而使表 面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表 面粗糙度值。
表面层的加工硬化对疲劳强度影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于 提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度 应控制在一定范围内。
拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；
3．表面质量对零件耐腐蚀性的影响 表面粗糙 表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质； 度的影响 波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响
（二）、表面层的残余应力 l、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与
基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。
表面层残余应 力产生的原因

(1)冷态塑性变形引起的残余应力 (2)热态塑性变形引起的残余应力 (3)金相组织变化引起的残余应力
(1)冷态塑性变形引起的残余应力
其中： H——加工后表面层的显微硬度
H0——材料原有的显微硬度
(2)表面层金相组织变化
指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织 发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面 层的物理机械性能。 (3)表面层产生残余应力 指的是加工中，由于切削变形 和切削热的作用，工件表层及其基 体材料的交界处产生相互平衡的弹 性应力的现象。残余应力超过材料

2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向 (4)伤痕——表面上一些个别位置 上出现的缺陷

(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。
(3)表面层产生残余应力。
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
影响表层残余应力的因素
三、表层金属的残余应力——拉应力或者压应力
（一）残余应力产生的原因 1）冷塑性变形——使表层产生压缩残余应力，里层产生拉伸 残余应力。
原因：加工表面受刀具或砂轮磨粒的挤压和摩擦，产生拉伸塑性变形 ，此 时里层金属处于弹性变形状态，切削后里层金属趋于弹性恢复，但受 到已产生塑性变形的表层金属牵制
第三章 机械加工表面质量
本章学习主要要解决的问题 1. 机械加工表面质量的含义 2. 为什么要控制机械加工表面质量? 3. 哪些因素会影响表面质量? 4. 怎样提高表面质量?
第三章 机械加工表面质量
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
一、机械加工表面质量的含义
1．表面的几何特征
2）热塑性变形——表层产生拉伸残余应力，里层产生压缩残 余应力。
原因：切削和磨削过程中，表层的温度比里层高，表层的热膨胀较大；加 工后零件冷却至室温时，表层金属体积的收缩受到里层的牵制。
影响表层残余应力的因素
3）相变引起的体积变化 金相组织的变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生 压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力； 金相组织的变化引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉 伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力 。
• 提高砂轮速度，降低工件转速，减小纵向进给速度——增大单位面 积的磨粒数

金属加工表面质量的影响因素及改进措施1.表面质量的含义任何机械加工的表面，不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状误差。

表面材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会使原有的物理一机械性能发生变化。

表面质量包括：（1）加工表面粗糙度。

是指加工表面的较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。

（2）表面层的物理——机械性能变化。

物理一机械性能变化主要有以下三个方面的内容：①表面层的冷作硬化。

在机械加工过程中，工件表面层金属产生了强烈的塑性变化，使表层的强度和硬度都有所提高，称表面冷作硬化。

②表面层残余应力。

在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，在加工表面会产生残余应力，如果残余应力超过材料的屈服强度，就会产生表面裂纹，表面的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。

③表面层金相的变化。

工件表面经磨削精加工时，磨削产生的高温，会烧坏工作表面，使淬火钢件表面退火，引起表层金属发生相变，将大大降低表面层的物理一机械性能。

2.机械加工表面质量对机器使用性能的影响2.1 对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件表面磨损的影响。

表面粗糙度值愈小，其耐磨损性愈好。

但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。

（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响。

加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。

但过分的冷作硬化将引起金属过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。

2.2 对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏，往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。

（1）表面粗糙度对疲劳强度的影响。

在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。

表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。

（2 ）残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响。

表面层残余拉应力，将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力，能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生：表面冷硬化一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。

残余应力的稳定性（热松弛）机件中各部位的残余应力一般不是一个固定值，在各种外界因素的作用下将发生变化，这就是残余应力的稳定性问题，又称为残余应力松弛或衰减。

残余应力的稳定性与材料内部储备的弹性应变能有关。

不论宏观残余应力或微观残余应变的大小都可以看作系统偏离低能量稳定态的程度。

热力学上高能量的组织状态在合适的条件下总将趋向于低能量的平衡态，这就是残余应力松弛的内在驱动力。

影响这个驱动力大小的因素有材料种类及状态，工件几何尺寸、产生残余应力的工艺过程和残余应力状态本身（如：数值大小与分布等）。

促使残余应力松弛的外界因素主要是温度和载荷（包括静载荷和动载荷）。

它们可以单独影响，也可综合在一起共同影响。

残余应力松弛的实质是保存在材料中的弹性应变能通过微观或局部塑性变形逐渐释放的过程，也即与位错运动有关。

位错运动可使与残余应力相关的弹性变形，部分（或全部）转变为塑性变形。

所以残余应力松弛过程是与材料内部微观结构的变化密切相关的。

研究残余应力松弛的特别是时效性的松弛耗时耗日，国内外系统性的研究成果不过。

下面分别从加热、静载及交变载荷等因素对残余应力松弛的影响来加以讨论。

1、残余应力的热松弛一般认为，在无外载荷的条件下室温长期保存后机件的残余应力基本上没有变化。

作为间接证据，有人把有缺口，经滚压后表面存在-500~~-600MPa残余应力的试样在实验室条件下保存10年，期间每年做一次弯曲疲劳试验，发现疲劳极限实际上不变。

若对残余应力的试样进行加热，残余应力将随温度的升高而不断降低，图1-12是我们在不同含碳量的碳钢的圆柱形（直径24×80mm）试样上测得的淬盐水后试样的表面残余应力随回火温度的变化趋势。

由图可见，回火温度超过500℃，各种碳钢的淬火残余应力基本上接近于零。

显然，当金属材料加热温度超过其再结晶温度时，由于再结晶是经扩散后的晶粒重组，故使残余应力完全松弛。

因此有关残余应力热松弛的研究重点是在不太高的加热温度时所发生的情况。

残余应力不可能完全消除。例如对于一些铸造机床的 床身，要想自然消除残余应力，需要很长的时间，但是仍 然不能完全消除。特别是对于一些大型的焊接件，例如桥 梁，船舶，更没有办法通过热处理来消除残余应力，但是 这些构件对于安全性要求有很高，因此有必要对残余应力 进行研究。

1.2 残余应力的测量方法
残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏 无损伤测量法两种。机械释放测量法，是将具有残余应力 的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，然后测量其 应变的变化求出残余应力。它主要包括盲孔法、切条法、 逐层去层法等。其特点是测量的精度较高，但对构件的损 伤较大。非破坏性方法，包括X射线衍射法、中子衍射法、 磁性法、超声波法等。其特点是对被测构件无损害，但成 本较高。 其中以盲孔法发展较为成熟，近年来科学工作者对其 做了大量的工作，从测量原理到实际操作中的各种工艺因 素、误差来源等进行了深入的研究，使其日趋完善，目前 已成为工程上最通用的残余应力测量方法。
1
co s 2 sin 2 B
(f)
由（d）式可以得到

1 2 ( ) 2 2A 1
1
(g )
联立（f）和（g）式，得
1 1 2 ( ) 1 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2 1 1 1 2 ( ) 2 2 4A 1 2 B co s 2 sin 2

2 .1 .5 b

式中A、B成为应变释放系数。释放应变表达式（2.1.5a） 式可以写成
r A ( ) B ( ) co s 2
1 2 1 2
(2 .1 .6)
1 2
对图2.1.2所示的残余应变计， , 则三个敏感栅方向的释放应变分别为

5.4.2
• 5.4.2.1
拉拔管材中的残余应力
空拉管材 1 空拔过程中金属流动是不均匀的，会产生不均匀变形。 原因如下：1 原因如下：1） 钢管本身的几何因素； 2） 模具形状和外摩擦因素。 2 空拔管内的残余应力 空拔时，外层金属的自然延伸和轴向流动速度小于内层，但由于受整体 性的制约，在轴向，外层产生附加拉应力，内层产生附加压力；由于 外层金属同时力图减少厚度缩小直径，内层金属力图增加厚度增大直 径，因此，在周向，外层产生附拉力，内层产生附加压力，在径向， 外层和内层都产生附加压力。另外，由于后接触变形过程的存在，在 轴向和周向，外层和内层也会分别产生附加拉力和附加压力。
由于外层金属同时力图减少厚度缩小直径内层金属力图增加厚度增大直外层金属同时力图减少厚度缩小直径内层金属力图增加厚度增大直径因此在周向外层产生附拉力内层产生附加压力在径向径因此在周向外层产生附拉力内层产生附加压力在径向外层和内层都产生附加压力
5.4
• 5.4.1
拉拔制品中的残余应力
拉拔棒材中的 残余应力分布影响空拔管外表层轴向和周向拉伸残余应力大小的主要原因有直径压 缩率、钢的力学性能、钢管的壁厚等。
5.4.2.2 衬拉管材 衬拉管材时，管子的内表面和外表面的变形量是不 同的，计算公式如下： ∆ = ( d − d − D − D )100%
0 1 0 1
d0
D0
D1 d 为拉拔前外径与内径（mm）； d 式中：D0、 0 为拉拔前外径与内径（mm）； 、 1 为拉拔后管外径和内径（mm）。 为拉拔后管外径和内径（mm）。
根据实验得知，变形差值 ∆ 越大，则周向残余应 力也越大。衬拉时有直径减缩，还有管壁的压缩变 形，因此变形差值 ∆ 越小，继而管子外表面产生的 周向残余拉应力也越小。

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。

因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。

本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用关键词：焊接应力产生原因控制方法焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。

因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。

下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。

一、焊接残余应力的产生1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。

2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。

3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。

反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。

但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。

所以，应力和变形要合理控制好。

4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产生较大的影响。

二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响1、对焊件结构刚度产生的影响当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。

（3）X射线法
X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广 泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下：
（1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠。 （2）由于X射线对材料的透射深度十分小，测定的
表面层深度仅为10-35um，因此测定的是材料表面 的应力状态，不会改变材料的状态，属于无损测量。
1
13
4A
1 4B
(1 3 )2 (22 1 3)2
2
13
4A
1 4B
(1 3)2 (22 1 3)2
tan 2 22 1 3 3 1
通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。
1 d2
A 2E 4r1r2
B
在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示）， 这个应变显然和孔边的应力 释放有关。
钻孔引起的弹性径向释放应力
盲孔法测试残余应力应变片示意图
释放应力计算公式
2、变形 定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与
尺寸发生变化的现象。
3、焊接残余应力的影响因素
热输入
材料因素
制造因素
结构因素
材料特性，热物理 常数，力学性能
工艺措施 预热，缓冷
热膨胀系数
温
弹性模量
度
场
屈服强度
相变
焊接应力
边界条件， 夹持状态
内 拘 束 度
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
一、残余应力的基本概念
1、定义 内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、

锻造残余应力产生的原因
锻造残余应力是指在金属材料的锻造过程中，由于材料的塑性变形和内部结构的改变，导致材料内部存在一定的应力状态。

这种应力状态在锻造完成后仍然存在，称为锻造残余应力。

锻造残余应力的产生原因主要有以下几个方面。

锻造过程中的塑性变形是产生锻造残余应力的主要原因。

在锻造过程中，金属材料受到了强烈的压力和拉力，导致材料内部的晶粒发生了塑性变形。

这种变形会导致材料内部的晶粒方向发生改变，从而产生了残余应力。

锻造过程中的温度变化也是产生锻造残余应力的原因之一。

在锻造过程中，金属材料经历了高温和低温的变化，这种温度变化会导致材料内部的晶粒结构发生变化，从而产生了残余应力。

锻造过程中的变形速率也会影响锻造残余应力的产生。

如果变形速率过快，会导致材料内部的晶粒方向发生剧烈的变化，从而产生了更大的残余应力。

锻造过程中的材料性质也会影响锻造残余应力的产生。

不同的材料具有不同的塑性和强度，这会影响材料在锻造过程中的变形和应力状态，从而产生不同程度的残余应力。

锻造残余应力的产生是由多种因素共同作用的结果。

在实际生产中，需要采取一系列措施来减少锻造残余应力的产生，以保证锻造件的
质量和性能。

§10-2 X射线残余应力测定原理
在诸多测定残余应力的方法中，除超声波法 外，其他方法的共同点都是测定应力作用下产 生的应变，再按虎克定律计算应力。X射线残 余应力测定方法也是一种间接方法，它是根据 衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变 化来测定材料表层微小区域的应力。
X射线残余应力测定原理
实践证明，残余应力对制品的疲劳强度、 抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着直 接的影响。例如，金属工件经喷丸或其他表面处 理（渗碳、渗氮等）后，在表面将形成残余压应 力层，削弱了表面微缺陷和残余拉应力的有害作 用，可提高工件的疲劳寿命。又如淬火后的工件 如不及时进行回火处理，淬火产生的残余应力将 使工件变形、开裂而报废。 随着残余应力测试技术的发展，残余应力分 析逐渐成为机械制造业中控制和检验产品质量的 必要手段，也是对使用运行设备进行安全检查的 重要方法。因此，残余应力测试技术，在工业、 交通、军事等部门日益普遍受到重视。
一般情况下，材料的应力状态并非是单轴应 力那么简单，在其内部单元体通常处于三轴 应力状态。由于X射线只能照射深度10-30μm 左右的表层，所以X射线法测定的是表面二维 的平面应力。 根据弹性力学，在一个受力的物体内可以任 选一个单元体，应力在单元体的各个方向上 可以分解为正应力和切应力。
适当调整单元体的方向，总可以找到一个合 适的方位，使单元体的各个平面上切应力为 零，仅存在三个相互垂直的主应力σ1、σ2、 σ3。对于平面应力来说（见图10-3），只存 在两个主应力σ1、σ2与试样表面平行，垂直 于表面的主应力σ3 = 0。但是垂直于表面的 主应变ε3不等于零。对各向同性的材料， 有：
1 1 2 3
⎪ ⎨ a 2 = sin ψ sin φ ⎪ a = cos ψ = 1 − sin 2 ψ ⎩ 3

2.采用表面强化工艺改善物理力学性能
滚压加工
滚压加工是利用经过淬硬 和精细研磨过、可自由旋 转的滚压工具（滚轮或滚 珠），在常温下对工件表 面进行挤压，以提高其表 面质量的一种机械强化加 工工艺方法。
喷丸强化
喷丸强化是利用压缩空 气或离心力将大量直径 细小（0.4～4 mm）的 珠丸高速向工件表面喷
切削加工中影响表面粗糙度的几何因素
2.磨削加工中影响表面粗糙度的因素 磨削加工是由砂轮的微刃切削形成的加工表面，单位面积上刻痕越
多且刻痕细密均匀，则表面粗糙度越小。磨削加工中影响表面粗糙度的 因素如下。 1）砂轮的影响
砂轮粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，就越能保证加工表面刻 痕细密，使表面粗糙度减小。但砂轮粒度过细，容易堵塞砂轮，使砂轮 失去切削能力，增大摩擦热，使表面粗糙度增大。
切削液的冷却和润滑作用减少了磨削热和摩擦，可减小表面 粗糙度，且能防止磨削烧伤。
1.2 影响表面层金属物理力学性能的因素
1.表面层金属的加工硬化 1）加工硬化的产生及衡量指标
1
2
硬化层深度h。
指标
表面层金属的显微硬度 HV。
3
硬化程度。一般硬化程 度越大，硬化层深度也 越大。
2）影响表面层金属加工硬化的因素 影响表面层金属加工硬化的因素如下：
射的方法。
液体磨料强化
液体磨料强化是利用液体 和磨料的混合物高速喷射 到工件表面，以强化工件 表面，提高工件耐磨性、 抗蚀性和疲劳强度的一种 工艺方法。工件表面在高 速磨料的冲击作用下，表 面粗糙度波峰被磨平，并 产生几十微米厚的塑性变 形层，具有压应力。
机械制造工艺与设备
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超精研磨
（3）珩磨。珩磨与超精

目录1 残余应力 (1)1.1 残余应力的定义及分类 (1)1.2 残余应力的本质 (1)1。

3 残余应力的影响 (1)2 残余应力的消除方法 (3)3 残余应力的测定与评估 (4)3。

1无损检测法 (5)3。

1。

1 钻孔法 (5)3。

1。

2 环芯法 (6)3。

1。

3 剥层法 (6)3。

2无损检测法 (6)3。

2。

1 X射线衍射法 (6)3.2.2 中子衍射法 (7)3.2.3 超声波法 (8)3。

2。

4 磁测法 (9)1 残余应力1.1 残余应力的定义及分类构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力,当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。

可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时,在物体内部保持平衡而存在的应力。

残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类:①宏观残余应力,又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类,即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力(又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。

1。

2 残余应力的本质一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的,是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变,晶格畸变很大程度上是由位错引起的.在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力,但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化,形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。

产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。

为塑性变形完毕后保留在变形物体内 的附加应力。 虽然残余应力是变形完毕后保留在物体内的附 加应力，但并不是所有的约束能都用于形成残 余应力，而是有部分约束能在塑性变形中由于 软化而被释放。因此，残余应力的能量应小于 在整个塑性变形过程中用于形成附加应力的能 量。
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机械法
用此方法可测定棒材、管材等一类物体内的残 余应力，采用机械加工的手段，对被测构件进 行部分加工或完全剖分，使构件上的残余应力 部分或完全释放，利用电阻应变计或者游标卡 尺之类的测量工具，测量释放应变，通过释放 应变就可以计算出残余应力。其精确度可达每 平方厘米内几千克。主要有环切法和钻孔法。
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风力发电机主轴示意图如下：
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四、铸件残余应力测试 1、实验目的：检测铸件热处理后的残余应力。 2、实验试样：热处理后在铸件的最外两侧端面（即法兰盘端面和直径最 小的端面）外缘表面上分别切取一个25mm（宽）×25mm（深度）的圆 环（切取示意图见后）。 3、残余应力测试要求：当铸件直径为600-1000mm时，残余应力不应大 于40N/mm2；当铸件直径大于1000mm时，残余应力不应大于50N/mm2。 4、实验方法：采用切环法测定残余应力。当残余应力圆环中的应力经过 十几个小时释放后，测量该环在切割前后平均变形量来计算残余应力。 计算公式为：бt=E·δ/D 式中：бt----残余应力，MPa； δ-----直径增量的代数值，mm； D-----切割前环的外径，mm： E-----材料的弹性模量，MPa。 其中，直径增量是指在外环上取多处位置，选取其中直径变化量绝对值 的平均值，得出残余应力为平均残余应力。
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二、常用残余应力测定方法 1．钻孔法 测定方法如下： （1）根据应力分析需要和打孔的可能在工件上选择适当位置进
行测量。然后用测量工具准确地标定出孔中心和应变片的中心和 方向。在贴片前需将所测部位表面打磨抛光。
（2）按确定的位置和方向粘贴应变片，用导线连接至电阻应变 仪。按电阻应变仪测定的规程进行测定。
二、常用残余应力测定方法
2．不通孔法 为了减小所钻小孔对工件的破坏，可用钻不通孔的
方法。根据理论分析和实测证明，当孔的深度超过 孔直径的二倍后，对孔周边表面的应变无任何影响。 即当孔深大于二倍直径后应变片测量值无变化。所 以在孔深大于二倍直径条件下，对于不通孔仍可用 通孔的公式。为了减小孔的破坏，孔径可尽量减小， 这样孔深也可减小。如孔径为2mm时孔深为4mm 而孔径为1mm时其孔深就只需2mm。目前还有采 用浅不通孔法，即孔深小于二倍直径。这时的三个 方向的径向应变ε′ra、ε′rb、ε′rc计算公式中的A,B 系数值随孔深变化。因此必须将该材料A,B系数随孔 深变化的规律求出才能测定。而目前还找不到解析 法，只能用实验法和有限元法进行标定。实验法精 度难以保证，有限元法则非常麻烦。
三、 热处理工件的残余应力分布及影响因素
图6-17 ωc=0.30%碳钢圆筒试样从865℃水淬时产生的残余应力（φ50mm×24mm试样） a）从孔内淬火b）从外表面淬火c）内外面同时淬火
四、表面淬火工件的残余应力
图6-18 高频淬火时残余应力形成机理示意图 a）加热后b）加热并冷却后
四、表面淬火工件的残余应力
二、 热处理时的残余应力
2．组织应力
图6-15圆柱 体钢样淬火 时组织应力
的变化
模块二 残余应力的产生
三、 热处理工件的残余应力分布及影响因素

残余应力是衡量零件质量的重要指标之一，也是学习的一个难点。

用能量作功的方法可以加深对残余应力的认识：外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而存贮在零件内。

当外力消除以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓慢地变形，即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧失，直到能量全部施放出来为止，变形结束。

尤其在仪器生产中，残余应力可能使整台仪器丧失精度而成为废品。

应当了解残余应力的“缓释”特点，熟悉残余应力产生原因，掌握减小和消除残余应力的技术手段。

残余应力的产生在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。

但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；（塑2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变。

（从热力学平衡的观点看，将物体冷却(或者加热)到相转变温度，则会发生相转变而形成新相，）残余应力的作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。

(shenmi 收集)适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。

残余应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。

通常调整残余应力的方法有：1.加热，即回火处理,利用残余应力的热松弛效应消除或降低残余应力。

2.施加静载，使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，也可以调整工件的残余应力。

例如大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，即所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。

3.振动时效，英文叫做Vibration Stress Relief,简称VSR 。

在国际上，工业发达国家起始于上世纪50年代，我国从70年代研究和推广。

长安⼤学机械制造技术基础复习题2019（2）1．⾦属切削加⼯的基本知识1．何谓切削⽤量三要素?它们是怎样定义的?切削⽤量是指切削速度，进给量f（或进给速度）和切削深度切削速度是切削刃相对于⼯件的主运动速度称为切削速度。

即在单位时间内，⼯件和⼑具沿主运动⽅向的相对位移。

进给量是⼯件或⼑具转⼀周（或每往复⼀次），两者在进给运动⽅向上的相对位移量。

切削深度指待加⼯表⾯与已加⼯表⾯之间的垂直距离。

2.．⾦属切削过程的本质是什么?切削过程中的三个变形区是怎样划分的?各变形区有何特征?⾦属切削本质是⼀种挤压过程，切削⾦属受⼑具挤压⽽产⽣以滑移为主的塑性变形第Ⅰ变形区：即剪切变形区，⾦属剪切滑移，成为切屑。

⾦属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。

第Ⅱ变形区：靠近前⼑⾯处，切屑排出时受前⼑⾯挤压与摩擦。

此变形区的变形是造成前⼑⾯磨损和产⽣积屑瘤的主要原因。

第Ⅲ变形区：已加⼯⾯受到后⼑⾯挤压与摩擦，产⽣变形。

此区变形是造成已加⼯⾯加⼯硬化和残余应⼒的主要原因3. 影响加⼯表⾯粗糙度的因素有哪些?如何减⼩表⾯粗糙度?⼯件材料的性质，加⼯塑性材料时，材料的韧性越好，⾦属的塑性变形越⼤，加⼯表⾯就越粗糙，加⼯脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切削的崩碎⽽加⼯表⾯留下许多的⼩⿇点，使表⾯粗糙度加⼤。

（3）切削⽤量的影响，加⼯塑性材料时，若切削速度处在产⽣积屑瘤和鳞刺的范围内，加⼯表⾯将很粗糙，若不在，则影响明显下降；进给量越⼤，则表⾯粗糙度就越⼤；背吃⼑量越⼤，则产⽣的塑性变形越⼤，表⾯粗糙度就越⼤4. 影响切削⼒的因素有哪些?它们是怎样影响切削⼒的?5.试阐述已加⼯表⾯的形成过程。

6.切削⼒是怎样产⽣的?为什么要研究切削⼒?7.切屑的种类有哪些，其变形规律如何?带状切屑,剪切滑移尚未达到断裂程度,加⼯塑性材料，切削速度较⾼，进给量较⼩，⼑具前⾓较⼤.;节状切屑,局部剪切应⼒达到断裂强度;粒状切屑,剪切应⼒完全达到断裂强度;崩碎切屑,未经塑性变形即被挤裂8.各切削分⼒分别对加⼯过程有何影响?9.切削热是怎样传出的?影响切削热传出的因素有哪些?10.试分析圆周铣削与端⾯铣削的切削厚度、切削宽度、切削层⾯积和铣削⼒，以及它们对铣削过程的影响。