表面残余应力分析

表面残余应力胡宏宇（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310032）摘要：残余应力主要是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。

各种工程材料和构件在毛坯的制备、零件的加工、热处理和装配的过程中都会产生不同程度的残余应力。

残余应力因其直观性差和不易检测等因素往往被人们忽视。

残余应力严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度和腐蚀开裂。

特别是在承力件和转动件上，残余应力的存在易导致突发性破坏且后果往往十分严重。

因此，研究残余应力的产生机理、检测手段、消除方法以及残余应力对构件的影响[1]。

关键词：残余应力；切削变形；磁测法；喷丸强化；Surface residual stress（S chool of mechanical engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）Abstract：Residual stress is mainly caused by the uneven plastic deformation of component. All kinds of engineering materials in the preparation of blank, parts and components processing, heat treatmentand assembly process will produce different degree of residual stress. Residual stress because of itsintuitive factors such as poor and difficult to detect is often neglected. Seriously affect the residualstress of component machining precision and dimension stability, static strength, fatigue strength andcorrosion cracking. Especially on the bearing and rotating parts, the existence of the residual stresscan lead to sudden destruction and the consequences are often very serious. Therefore, to study themechanism of residual stress, detection means, elimination method and the influence of residual stressof components。

Key words：Residual stress；machining deflection；magnetic method；Shot peening strengthening；前言随着现代制造技术的发展，大飞机、高铁、核设施等大型设备相继出现；这些设备具有高速、重载和长时间运行的特点，其零部件工作环境恶劣、复杂，且往往对安全性有着极其苛刻的要求，因而对这些设备的关键部件，如轴承、曲轴、传动轴的疲劳寿命和可靠性也有很高的要求，对它们的疲劳寿命预测和分析成为研究的重点．金属切削加工是一个伴随着高温、高压、高应率的塑性大变形过程, 在已加工表面上存在着相当大的残余应力; 同时又由于切削过程切削力和切削热作用及刀具与工件的摩擦等综合因素的影响, 使得零件内部初始的残余应力重新分布并与表面层残余应力耦合作用形成新的残余应力分布规律。

残余应力以平衡状态存在于物体内部, 是固有应力域中局部内应力的一种。

残余应力是一种不稳定的应力状态, 当物体受到外力作用时, 作用应力与残余应力相互作用, 使其某些局部呈现塑性变形, 截面内应力重新分配; 当外力作用去除后, 整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。

根据理论分析和实验研究的结果，工件的疲劳寿命和加工表面的残余应力状态有重要的关系：残余压应力能抑制工件的疲劳破坏，延长疲劳寿命；残余拉应力则相反，会加速疲劳破坏的出现[2]．因此，了解和控制工件已加工表面的残余应力，使零件已加工表面呈现稳定而较大的压应力状态，已成为加工出高质量和高可靠性零件的关键．1 残余应力的定义1.1 残余应力的定义构件在制造过程中，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称为残留应力或残余应力。

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。

残余应力是指在没有外力作用于物体时，物体内部保持平衡的应力。

在没有外力的作用下，物体内部保持平衡的应力称为固有应力，残余应力是固有应力的一种[3]。

1.2 残余应力的分类残余应力的存在状态是多种多样的, 随材料的性能、产生条件不同而不同, 分类的方法也不一致。

1925 年格·马辛、Mura T、达维金科夫H.H 分别提出了残余应力的界定方法。

根据残余应力的相互影响范围大小可将残余应力分为宏观残余应力(Macrresidual stress) 和微观残余应力(Micro residualstress) 。

1973 年德国学者E.Macherauch 又将宏观残余应力称为第一类残余应力, 将微观残余应力划归为第二类、第三类残余应力。

第一类残余应力称为宏观残余应力它在材料较大范围内或许多晶粒范围内存在并保持平衡, 在多个连续晶体范围内保持常数, 它的大小、方向和性质可用切削加工表面残余应力研究的现状与进展通常的物理或机械方法进行测量。

如果第一类残余应力所产生的力或力矩的平衡状态遭到破坏, 将导致构件宏观尺寸的变化。

通常由于切削加工产生的残余应力是指宏观残余应力。

根据加工残余应力的性质不同, 可分为残余拉应力和残余压应力, 应力的大小随表层的深度而变化。

第二类残余应力称为微观结构应力( Structurasstress) ,它存在于晶粒尺度内并且保持平衡, 在一个或几个晶粒的部分范围内保持均匀。

如果第二类残余应力平衡状态得到改变, 也会造成宏观尺寸的变化。

第三类残余应力称晶内亚结构应力( Substructural stress)标记为σrⅢ它是在晶粒若干个原子范围内存在并在晶粒的小部分内保持平衡,在晶体亚结构范围内大小不均匀。

第三类残余应力平衡状态的破坏, 不会引起宏观尺寸的变化。

在大多数情况下, 宏观残余应力与微观残余应力总是同时存在的, 产生第一类残余应力的加工过程必须伴随第二、第三类残余应力的产生。

2 切屑形成过程及变形区的划分2.1切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。

金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。

2.2变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。

切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。

图1 切削变形区2.3切屑的形成及变形特点第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。

切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。

第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。

第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。

此时将产生挤压摩擦变形。

应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。

前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。

第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。

图2 切削过程2 切削加工表面残余应力的产生机理目前, 关于残余应力的产生机理, 从理论上定量分析还存在困难。

下面仅从已加工表面形成过程的角度分析残余应力的产生机理。

（1）机械应力引起的残余应力工件装夹时, 如果夹紧力过大, 将会使工件发生塑性变形, 从而使工件产生残余应力。

切削过程中,刀刃前方的工件材料受到前刀面的挤压, 从而使将成为已加工表面层的金属, 在切削方向产生压缩的塑性变形; 而在与已加工表面垂直方向产生拉伸塑性变形; 切削后受到与之连成一体的里层未变形金属的牵制, 从而产生残余应力。

在已加工表面形成过程中, 刀具的后刀面与已加工表面产生很大的挤压和摩擦, 使表层金属产生拉伸塑性变形, 刀具离开后, 里层金属的弹性变形趋向恢复, 但受到表层金属的牵制,因而也产生残余应力。

（2）热应力引起的残余应力切削时, 由于强烈的塑性变形与摩擦, 使已加工表面层的温度很高; 而里层温度很低, 形成不均匀的温度分布, 因此, 当热应力超过材料的屈服极限时,将使表层金属产生压缩变形, 切削后冷却至室温时,表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制, 因而产生残余应力。

（3）相变引起的残余应力切削时, 若表层温度大于相变温度, 则表层组织可能发生相变, 由于各种金相组织的体积不同, 从而产生残余应力。

在切削过程中, 引起不均匀塑性变形的机械应力和热应力是同时存在的, 所以残余应力的计算是一个热- 力耦合的热弹塑性问题。

3 影响切削残余应力的因素工件已加工表面残余应力的性质和大小受很多因素的影响。

掌握这些因素的影响规律并合理选择，对于降低残余应力和优化切削过程是很有必要的。

3.1工件材料的影响工件材料本身状态及其物理机械性能对加工表面残余应力产生直接影响。

实验表明：塑性好的材料切削加工后通常产生残余拉应力；塑性差的材料则产生残余压应力。

根据工件材料的具体初始应力状态，切削加工可能使工件内残余应力值“增大”或“减小”[4]。

3.2切削参数的影响切削速度的影响一般是通过“温度因素”来进行的[5]。

切削速度较低时，易产生残余拉应力；切削速度较高时，由于切削温度升高，易产生残余压应力。