材料力学杆的塑性变形第5节 残余应力的概念

第6章材料的残余应力 在实际的生产或生活中，人们发现材料及器件在没有受到外载荷时就无缘无故地坏了。

这种现象非常令人费解：没有载荷怎么会坏呢？仔细分析发现，材料及器件内部在制备或者加工过程中就会在其内部产生应力。

因此，材料及器件内部的应力状态对其可靠性和使用寿命有重要影响［１］。

在这种情况下，需要对材料或零部件的残余应力进行测定和估计，以及采用适当的措施减小残余应力或改进其分布来消除这些工艺缺陷。

残余应力的测量技术始于２０世纪３０年代，发展至今共形成了数十种测量方法。

传统的测试方法概括起来大致可分为两大类，即具有一定损伤性的机械测量法和非破坏性无损伤的物理测量法［１～４］。

新型材料的大量出现与广泛应用，使得传统的残余应力测量方法面临严峻的挑战，也为现代材料分析测试技术领域带来新的发展契机［５～８］。

如何采用适当的措施调整残余应力或改进其分布，减小或消除残余应力对静强度、脆性破坏、抗应力腐蚀开裂和疲劳等材料性能的不利影响，以及加工时或加工后产生尺寸偏差等有害变形，是材料残余应力研究的重要课题［９～１２］。

6畅1　残余应力概论6畅1畅1　残余应力的产生6畅1畅1畅1　残余应力的产生原理［9］·861·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称为固有应力或初始应力。

在无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力称为残余应力。

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。

１９１２年，由Ｍａｒｔｅｎｓ和Ｈｅｙｎ等提出了如图６畅１所示的弹簧模型说明了残余应力的产生。

如图６畅１所示的三个弹簧，ａ为自由状态，ｂ为用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态。

此时，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分别为l１、l２、l３和c１、c２、c３，刚性板连接后的长度为l，则各弹簧上产生的力F１、F２、F３分别为F１＝c１（l－l１）、F２＝c２（l－l２）、F３＝c３（l－l３）。

材料弹塑阶段性质及残余应力的测定关雪涛苏铮铮张莉何琳北京工业大学000112班指导教师：张亦良摘要本文报导了由普通碳钢构成的四点弯曲梁试件，在加、卸载过程中弹性、塑性阶段应力应变的全过程及塑性变形后表面的残余应力状况。

通过弯曲梁正反两面粘贴电阻应变片，详细记录了加、卸载过程中弹塑性的应力应变曲线，特别是记录了梁进入塑性阶段初期并形成塑性铰的过程，得到了弹塑性泊松比曲线。

结果发现，材料泊松比并不是常量，在弹性阶段近似为0.3左右，而进入塑性以后，数值不断增大，最终为0.5左右。

卸载后，梁出现了不可恢复的塑性变形，用X射线法测量了试件两面的残余应力，与弹塑性理论解基本相符。

研究了加工应力沿深度的分布，为准确测定表面残余应力提供了实验依据。

关键词：弹塑性应力；残余应力；X射线法；泊松比一、引言在工程中，多数材料用于弹性范围。

但是，就钢材这类塑性材料而言，其塑性性能很好，在弹性以外，仍有广阔用途，如塑性加工、锻造成型等等。

对于横截面应力非均匀分布的塑性材料杆件，当危险点应力达到屈服极限时，并未丧失工作能力，按塑性极限法设计，可提高承载能力，节省原材料，在建筑行业中已得到广泛应用。

这就是说，我们不可避免的要接触到材料在弹塑性区域的性质。

在压力容器行业中，所应用的球罐都是由冷加工成型的，事先压成瓜片，再由焊接而成。

由于材料的塑性变形，不可避免的带来残余应力。

而如何计算残余应力、找出残余应力的最大值，是至关重要的。

因为残余应力与工作应力叠加，才是容器真正的应力。

容器应力水平的大小与评估，对于设备的安全运行来说十分重要。

在我们材料力学的学习中，关于塑性区及残余应力的内容介绍很少。

为了能更好地研究并了解材料在这一区间的性质，以及当材料发生塑性变形后的特性，我们选择了“弹塑性应力及电测法的综合实验”这样一个综合性较强的实验。

通过这个实验，希望能在我们并不熟悉的领域里发现一些现象，解决一些有关于工程实际的问题。

同时我们也希望能通过这个实验锻炼我们独立思考和动手能力，因为指导老师曾多次告诉我们这个实验有一定难度，由于是破坏实验，难以重复，因此在加载时要十分小心。

第二章残余应力§2.1残余应力分类在各种金属构件加工制造过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力。

生产过程中应力产生主要工艺分为：铸造残余应力、焊接残余应力、压力加工残余应力、切削加工残余应力、热处理残余应力、镀层残余应力、表面硬化处理残余应力、校直残余应力等。

§2.2残余应力的产生各种机械加工一如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内部出现不同程度的残余应力。

从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类：1.由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。

2.由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。

3.由于装配公差产生的残余应力。

此外还有化学变化等多种原因都可产生残余应力。

由于产生残余应力的原因不同，因此构建内残余应力的分布和良知也不相同。

某点的最终残余应力的量值，是由各种原因产生的残余应力的综合值。

现将产生残余应力的几种主要原因的力学模型分述如下。

一、机械加工引起的残余应力这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。

当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。

这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拨、冷弯等等。

这种残余应力往往是很大的。

二、温度不均匀引起的残余应力大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹性的转变。

以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800℃以上。

加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性—弹性转变温度区间700---400℃，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。

§2.3残余应力对金属构件的影响残余应力的存在对金属工件的强度疲劳寿命结构变形等方面的影响都是很大的，因此在结构设计中必须予以考虑。

一、塑料残留应力介绍当一塑料成品在应用上发生破裂或破坏时，就材料力学的观点，即表示该塑料件在破坏区域上，其所承受之应力数值总合超过了材料本身之物性强度数值。

因此要解决成品在使用上的破坏或破裂问题，就必须要从如何增加材料物性强度或从如何减少成品应力值来着手。

塑料制品承受的应力作用通常可依应力来源区分为外部应力及内部应力两种，外部应力是成品在使用时所遭受之外力作用，此部分将视产品应用场合而定，通常是无法控制其程度，一般产品设计者会依照常态之外部应力值，乘上一安全系数值来设计产品之强度。

而内部应力通常是成品在加工成型过程中所产生而留存在成品内部。

所以要有效解决塑料成品之破坏问题，唯有降低应力作用或提高材料强度两种方法。

然而对于塑料成型加工业者而言，如何使用较适当之加工条件，来防止材料强度降低及避免在加工时产生过大残留内部应力则是最重要之议题。

所以就产品设计者或塑料成型加工者而言，通常需要了解塑料件发生破坏之成因与产生破坏之位置与破坏之型态，才能有效分析解决成型及设计上的问题点。

塑料材料由于具有高黏特性，所以一般在成型加工时都需要利用高温、高压、高剪切等加工条件，来有效降低塑料熔胶黏度至容易成型加工之范围，另外由于塑料具低的热传导系数，是热的不良导体，所以在高温成型后需要长时间方能达到均匀温度之冷却。

然而现代塑料射出成型加工，一般为求高效益快速生产，所以对于射出成型周期都尽量缩短，而所对应之射出成型条件就需要要求射速快、冷却时间短，而对于塑料成品而言过大之速度差或不均匀冷却，往往会造成成品内部形成应力。

所谓塑料残留应力就是指塑料成品在经过制造或成形过程后，在无外力作用下或无温度梯度存在时，物体内部仍维持承受应力之状况。

通常塑料件常见之内部应力可分为两种，一种是剪切流动造成之流动应力，另一种是冷却收缩所造成之热应力。

塑料材料在成型过程中会因为高剪切作用造成分子链接构的高度定向现象，此种是属于熔胶剪切流动所形成之应力，另外则是因不均匀之冷却造成成品内分子链的不均匀收缩，当成品温度快速冷却到塑料的Tg以下时，冷却收缩造成分子链间应力无法完全释放，此种是属于冷却所形成之应力。

解释钢材中残余应力的特点,以及对构件强度和刚度的影响。

钢材中残余应力的特点，以及对构件强度和刚度的影响
钢材工程中残余应力是一个重要的概念，它不仅会对构件的强度
和刚度产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。

因此，本文将介绍
残余应力的特点，以及它对构件强度和刚度的影响。

首先，什么是残余应力？残余应力是指在制造过程中产生的应力，这些应力不会随着外力的改变而改变。

它是一种被冻结在构件中的应力，必须在构件加工、装配和使用过程中克服。

通常，残余应力主要由焊接、冷变形、冲压等工艺产生，也可能由外部激励而产生，如热
处理、局部强度和磨损等。

其次，残余应力的形式有哪些？残余应力可以分为拉应力和剪应
力两大类。

拉应力是指对构件所施加的垂直细节，其强度大小与深度
成正比。

而剪应力是指构件轴向断面上所施加的外力，其强度大小与
断面宽度成正比。

最后，残余应力会对构件强度和刚度造成怎样的影响？首先，残
余应力会影响构件的强度。

当残余应力增加时，构件容易发生裂纹，而构件的强度也会随之下降。

此外，残余应力也会影响构件的刚度。

当残余应力超出构件的强度限制时，构件容易发生变形，从而影响刚度。

总之，残余应力是一个重要概念，它不仅会对构件的强度和刚度
产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。

因此，在开展工程项目时，
应重视残余应力的管理和控制，从而确保工程项目的安全和高效。

残余应力原理
残余应力是指材料或构件在制造过程中形成的内部应力，这些应力在加工、热处理、焊接、冷却等工艺过程中产生，并且在工艺结束后保留在材料或构件中。

残余应力对材料的性能和行为具有重要影响，因此了解和管理残余应力对于确保材料和构件的安全性和可靠性至关重要。

残余应力的形成是由于材料内部存在非均匀的应变分布或材料结构的变化，导致各个部分之间存在应力差异。

这些应力差异可以通过各种因素引起，如材料的收缩、膨胀、塑性变形、相变等。

残余应力的形成和分布可以通过残余应力原理来解释。

残余应力原理包括以下几个要点：
1. 弹性变形：材料在受到外部载荷或热处理等因素作用时，会发生弹性变形。

弹性变形会导致材料内部的应力分布，当外部载荷消失或工艺结束后，部分应力会被保留下来形成残余应力。

2. 塑性变形：材料在受到外部载荷时，可能会发生塑性变形。

塑性变形会引起材料内部的应力重新分布，当外部载荷消失后，部分应力会被保留下来形成残余应力。

3. 热应力：材料在受到热膨胀或热收缩等热载荷时，会发生热应力。

热应力会导致材料内部的应力分布不均匀，当温度变化或热载荷消失后，部分应力会保留下来形成残余应力。

4. 相变应力：材料在相变过程中可能发生相变应力。

相变应力会导致材料内部的应力分布，当相变完成后，部分应力会被保留下来形成残余应力。

了解和分析残余应力的分布和大小对于材料和构件的设计、制造和使用具有重要意义。

在工程实践中，常采用各种测量和分析方法来评估和控制残余应力，以确保材料和构件的性能和可靠性。

残余应力：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，是固有应力的一种。

材料在外力作用下发生不均匀塑性变形后，除去外力，会有残余应力。

固有应力:凡是没有外部作用，物体内部保持平衡的应力。

原因:金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外部因素的作用除去后，在物体内保持平衡而存在。

就是所谓的残余应力.
弹性形变：在外部荷载的作用下，物体发生形变，当去除外部荷载，物体又恢复原状的形变。

塑性形变：在外部荷载的作用下，物体发生形变，当去除外部荷载，物体不能恢复原状的形变。

确切一点，当材料在超过弹性极限的应力作用下，产生的形变在外部荷载取出后不能全部恢复，其中恢复的部分叫弹性形变，没有恢复的那部分叫塑性形变。

塑性形变的机理：
材料由于多种原因，内部分子或原子结构会存在各种缺陷，当受到较大外部荷载作用时，就会发生不均匀形变，本来相互牵连在一起的稳定整体，在形变量不同的部位之间就会产生相互平衡的弹性应力，这种应力在外部作用除去后不会消失，称作残余应力。

而正是残余应力使得形变不能恢复。

残余应力名词解释
残余应力是指材料或构件在经历过一定载荷或变形后，释放一些
内部应力，这些应力在外力消失后仍然存在的现象。

下面，我们分步骤来解释残余应力：
一、起因：当材料或构件受到某种外力作用时，其内部会发生应
力变化，如受拉应力部分会发生伸长，受压应力部分会发生压缩。

一
旦外力消失，部分内部应力会被释放，但仍有部分内部应力保留。

二、判断：确定一个材料或构件中残余应力的存在需要进行一些
测试。

目前，常见的测试方法可以分为：非破坏性测试和破坏性测试。

常见的非破坏性测试包括X射线应力分析、电磁超声波探伤等。

破坏
性测试从名称上看就能看出，在此过程中要摧毁测试对象，比如说拉
伸实验、压缩实验等。

三、影响：残余应力具有很强的影响作用，特别是对于材料和构
件的工作性能和寿命等而言。

一方面，残余应力使得材料和构件具有
更高的硬度、韧性和强度等。

另一方面，如果残余应力过大，就会导
致材料或构件出现微观损伤，使其易于开裂或变形。

四、利用：针对残余应力的存在，在一些领域中被广泛地利用。

例如，压制时对部分材料或构件施加压力，以增强其强度；在工艺加
工前对材料或构件进行应力调整，以降低其在使用过程中的变形；还
有在生产过程中采用残余应力检测技术，以确保产品的工作性能和寿
命等。

总之，残余应力是一种非常重要的现象，在很多材料和构件的设计、制造和使用过程中会涉及到，因此需要我们深入地了解这一现象
的相关知识，以便更好地应对残余应力造成的影响。

残余应力（Residual Stress）消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。

机械加工和强化工艺都能引起残余应力。

如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，因不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。

残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。

或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。

残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。

零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除。

残余应力有时也有有益的方而，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

[1]工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与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。

也称残余应力。

残余应力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。

凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。

测试仪器编辑残余应力分析仪其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ ：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。

通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力。

应力方程根据弹性力学理论, 在宏观各向同性晶体材料上角度φ和ψ（见图1）方向的应变可以用如下方程表述：（图1）正应力和剪切应力应力分量σφ和τφ为方向Sφ上正应力和剪切应力：含剪切应力的应力方程和曲线如果在垂直于试样表面上的平面上有剪应力存在（τ13≠0和/或τ23≠0），则εφψ与sin2ψ的函数关系是一个椭圆曲线，在ψ> 0和ψ<0是图形显示为“ψ分叉”（见图3）。

残余应力的概念残余应力是指材料在加工、热处理或使用过程中，由于内部应力分布不均匀而形成的一种应力状态。

这种应力状态不会随着外力的消失而完全消失，而是留下一定的应力残留在材料中。

残余应力的存在会对材料的性能和寿命产生重要影响。

一、残余应力的形成原因1. 加工应力：在材料加工过程中，由于切削、锻造、轧制等加工方法的不同，会在材料内部产生不同方向的应力。

这些应力在加工后不会完全消失，留下一定的残余应力。

2. 热处理应力：在材料热处理过程中，由于温度变化和组织结构的变化，会形成内部应力。

这些应力也不会完全消失，留下一定的残余应力。

3. 使用应力：在材料使用过程中，由于受到外部载荷的作用，会产生内部应力。

这些应力也不会完全消失，留下一定的残余应力。

二、残余应力的影响1. 影响材料的强度和韧性：残余应力会使材料的强度和韧性发生变化，使其抗拉、抗压、抗弯等性能发生变化。

2. 影响材料的疲劳寿命：残余应力会影响材料的疲劳寿命，使其在受到疲劳载荷时更容易发生疲劳裂纹。

3. 影响材料的变形和稳定性：残余应力会影响材料的变形和稳定性，使其在受到外部载荷时更容易发生塑性变形和变形失稳。

4. 影响材料的耐腐蚀性能：残余应力会影响材料的耐腐蚀性能，使其更容易受到腐蚀和损伤。

三、残余应力的测量方法1. X射线衍射法：利用X射线的衍射现象，测量材料内部的晶格应变，从而得到残余应力的大小和方向。

2. 中子衍射法：利用中子的衍射现象，测量材料内部的晶格应变，从而得到残余应力的大小和方向。

3. 光学法：利用光学原理，测量材料内部的应变，从而得到残余应力的大小和方向。

4. 拉伸法：利用拉伸试验机，测量材料在不同拉伸程度下的应力和应变，从而得到残余应力的大小和方向。

总之，残余应力是材料内部的一种应力状态，对材料的性能和寿命产生重要影响。

通过合适的测量方法，可以准确地测量残余应力的大小和方向，为材料的应用提供科学依据。

材料残余应力
材料残余应力是指在材料加工或者变形后，由于内部微观结构和应力分布的不均匀性所导致的残余应力。

这些应力可能会对材料的性能、稳定性和寿命产生重要影响。

因此，对材料残余应力的研究和控制具有重要的意义。

材料残余应力的产生主要有以下几个方面的原因，首先，是由于材料的非均匀性，例如晶粒的大小、形状和分布不均匀等因素会导致残余应力的产生。

其次，是由于材料的加工过程中所施加的外部应力，例如锻造、轧制、焊接等加工过程中所施加的压力会导致材料内部产生残余应力。

最后，是由于材料的热处理过程，例如淬火、退火等热处理过程中所产生的温度梯度和相变引起的体积变化也会导致残余应力的产生。

材料残余应力的存在会对材料的性能和稳定性产生重要影响。

首先，残余应力会影响材料的力学性能，例如强度、韧性、塑性等性能。

其次，残余应力还会影响材料的疲劳性能和蠕变性能，导致材料的寿命缩短。

最后，残余应力还会影响材料的加工性能，例如加工硬化、变形能力等。

为了控制材料的残余应力，可以采取以下几种方法，首先，可以通过合理的工艺设计和参数选择来减少残余应力的产生。

其次，可以通过适当的热处理工艺来消除或者减小残余应力。

最后，可以通过表面处理、残余应力退火等方法来改善材料的残余应力状态。

总之，材料残余应力是材料加工和变形过程中不可避免的问题，对材料的性能和稳定性产生重要影响。

因此，对材料残余应力的研究和控制具有重要的意义，可以通过合理的工艺设计、热处理工艺和表面处理等方法来减小残余应力的影响，从而提高材料的性能和稳定性。