残余应力
残余应力的概念与残余应力的产生
残余应力的概念与残余应力的产生目录弓I言 (1)1.应力•内应力•残余应力 (1)2.残余应力的产生 (2)2. 1.不均匀的机械变形引起的残余应力 (3)2. 2.不均匀的温度变化引起的残余应力 (4)2. 3.不均匀的相变引起的残余应力 (5)2. 4.实例分析1——焊接残余应力的产生 (6)2. 5.实例分析2一—磨削残余应力的产生 (8)引言在涉及金属材料的制造业，“残余应力”这个词的使用频率越来越高了。
我还听到许多齿轮、弹簧行业的朋友直接说“残余压应力”。
那么到底什么是残余应力，残余应力是怎样产生的，残余应力起什么作用呢?还有如何测试残余应力? 如何调整残余应力?笔者依据自己的积累，就残余应力问题作一个漫谈，希望不浪费大家的宝贝光阴。
1.应力•内应力•残余应力一个物体受到外力P的作用时，它内部任意截面单位面积的力就叫做应力。
（如图1所示）可以把它理解为对外力的回应，所以叫做应力。
有时候这个截面不一定垂直于外力P,如左图所示，所以截面上的应力会有垂直于这面的和平行于这个面的两种，前者叫正应力。
（这里正字不是分别表示拉应力和压应力的正负的正，而是正对着平面的正），后者叫剪切应力T。
如果去除外力P之后，这个截面仍然存在着应力，那就是内应力了。
不过，须注意这时的内应力不会和外力作用下的应力相同。
按照我国工程技术界普遍接受的德国学者马赫劳赫1973年的观点，内应力依据其作用范围的大小分为三类(如如图2所示)，其中第一类内应力在材料的较大区域(很多晶粒范围)几乎是均匀的，它在贯穿整个物体的各个截面上维持平衡。
这种第一类内应力在工程上就叫做残余应力。
给残余应力下个定义吧！欧盟的X射线残余应力测定方法标准(EN 15305: 2008)关于残余应力的表述是:存在于不受外力作用或约束的物体内部自身平衡的应力。
我国修订GB7704《X射线应力测定方法》时给出的定义:在没有外力或外力矩作用的条件下构件或材料内部存在并自身平衡的宏观应力。
(完整版)残余应力
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）。
残余应力测量方法
残余应力是指材料内部或表面存在的不平衡力，它可以对材料的性能和可靠性产生重要影响。
以下是几种常见的残余应力测量方法：
1.X射线衍射法（X-ray Diffraction, XRD）：这是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量
材料中晶体结构的畸变来间接计算残余应力。
X射线经过材料后会发生衍射，根据衍射角度的变化可以推断出残余应力的大小和方向。
2.中子衍射法（Neutron Diffraction）：类似于X射线衍射法，中子衍射法也是通过测量材
料晶体结构的畸变来确定残余应力。
相比X射线，中子具有更好的穿透能力，因此可以深入材料内部进行测量，适用于非金属材料的残余应力分析。
3.压电法（Piezoelectric Method）：利用材料的压电效应来测量残余应力。
该方法通过将
压电传感器固定在被测物体上，然后施加外力引起压电传感器的形变，根据形变量的变化推断出残余应力的大小。
4.高斯法（Hole Drilling Method）：这是一种常用的局部测量方法，适用于金属材料。
该
方法通过在被测物体上钻一个小孔，然后测量孔周围的表面应变的变化来计算残余应力。
5.激光干涉法（Laser Interferometry）：利用激光的干涉原理来测量表面的微小位移，从
而推断出残余应力的分布情况。
激光干涉法可以提供高精度的残余应力测量结果。
需要注意的是，不同的测量方法适用于不同类型的材料和应力状态，选择合适的方法取决于具体的应用需求和材料特性。
在进行残余应力测量时，应根据实际情况综合考虑各种因素，并采取适当的措施以确保测量结果的准确性和可靠性。
残余应力
残余应力测量方法与 消除技术
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• 残余应力的危害
主要内容
• 残余应力测量方法 • 残余应力消除技术
残余应力的产生及原因
残余应力是如何产生的呢？ 机械零部件在铸造、热处理、焊接、 压力加工、切削加工等制造过程中， 由于受热不均、机械载荷等因素产 生内部应力，而当这些因素消失后 仍然有部分应力残留，就成为残余 应力。 残余应力产生的原因:
钻孔法示意图
典型的钻孔云纹图 条纹分布
环芯法与深孔法
环芯法：其原理与钻 孔法相似。 深孔法：原理是首先在 零件上钻一个小孔，精 确测量出小孔的直径， 然后在零件上钻一个与 小孔同心的环，其周围 因为应力释放而使小孔 的直径发生变化，经计 算得到钻孔处原有的应 力。
环芯法示意图
深孔法示意图
剥层法
剥层法常用于测定几何形状简 单（平板、圆柱）的试件。 原理：当通过电化学方法从含 有残余应力的平板或圆柱上去 除一层材料时，其内部残余应 力将不再平衡，当它重新平衡 时将导致平板变形，平板弯曲 的曲率取决于被去除掉的那层 材料原来的残余应力分布和遗 留部分材料的弹性性能。
成分差异 不同材料成分 的比容不同 渗碳、氮 化、电镀、 材料制备等
产生的工 艺过程
切削、喷 丸、冲压、 锻造等
热处理、焊接、 热处理、焊接、 材料制备等 材料制备等
残余应力的危害
1）残余应力能影响零件的加工精度。一方面，后续工 序将引起前道工序的残余应力重新分布；另一方面，残 余应力随时间的推移缓慢松弛，均能导致零件变形和尺 寸不稳定。 2）残余应力能够影响零件的疲劳强度。表面压应力增 大疲劳强度；表面拉应力减小疲劳强度。 3）表面残余拉应力能加速应力腐蚀。
钻孔法
《残余应力测量 》课件
通过对数据处理算法的优化，提高测量数据的处 理速度和准确性，从而提升测量准确度。
3
多参数测量融合
将多种参数测量结果进行融合，如表面形貌、材 料成分等，以更全面地反映材料的残余应力状态 。
THANKS
感谢观看
域产生残余应力。
对产品的影响
01
降低产品强度和疲 劳寿命
过大的残余应力可能导致产品在 使用过程中过早出现疲劳裂纹， 降低产品的疲劳寿命。
02
影响产品尺寸稳定 性
残余应力会导致产品在使用过程 中发生变形，影响产品的尺寸稳 定性。
03
引发应力腐蚀开裂
在某些腐蚀环境下，残余应力可 能会引发应力腐蚀开裂，对产品 的安全性能造成威胁。
光学干涉技术
利用光学干涉原理，通过测量材料表面的微小形变来推算残余应力 。
磁性测量技术
利用磁性材料的磁致伸缩效应，通过测量材料的磁致伸缩系数来反 演残余应力。
应用领域的拓展
航空航天领域
随着航空航天技术的不断发展，对飞机和航天器的结构健康监测要 求越来越高，残余应力测量技术将广泛应用于航空航天领域。
新能源领域
在新能源领域，如太阳能和风能等，需要对大型结构件进行残余应 力测量，以确保其安全性和稳定性。
汽车工业领域
汽车工业中，对汽车零部件的残余应力测量需求越来越大，以保障汽 车的安全性能和寿命。
测量准确度的提高
1 2
新型传感器技术
采用新型传感器技术，如高精度光纤传感器和纳 米压痕传感器等，以提高测量准确度和分辨率。
建筑领域
在建筑领域，残余应力的存在可能导致桥梁、高层建筑等结构出现裂纹、变形或破坏。
通过残余应力测量，可以评估结构的稳定性和安全性，为建筑物的维护和加固提供科学依据，确保建 筑物的长期使用安全。
残余应力检测方法
残余应力检测方法
残余应力是指在物体内部或表面存在的应力状态，它是在外力作用后消失的应力，通常是由于材料的加工、组装或使用过程中产生的。
残余应力的存在会对材料的性能产生影响，因此需要对其进行检测和分析。
下面将介绍几种常见的残余应力检测方法。
首先，非破坏性残余应力检测方法是一种常用的检测手段。
这种方法不会对被检测物体造成破坏，可以实现对材料内部残余应力的测量。
常见的非破坏性检测方法包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等。
这些方法可以通过测量材料的衍射图样或超声波的传播速度来间接获取残余应力的信息，具有操作简便、效率高的特点。
其次，破坏性残余应力检测方法是另一种常见的检测手段。
这种方法需要对被检测物体进行破坏性处理，通过测量材料的残余应力释放来获取残余应力的信息。
常见的破坏性检测方法包括切割法、钻孔法、环切法等。
这些方法可以通过测量材料在切割或钻孔后的变形情况来间接获取残余应力的信息，具有直接观测残余应力释放的优势。
另外，应变法也是一种常用的残余应力检测方法。
这种方法通过测量材料的应变变化来获取残余应力的信息。
常见的应变法包括全场光学法、电阻应变片法、应变片法等。
这些方法可以通过测量材料在受力后的应变情况来间接获取残余应力的信息，具有高灵敏度、高精度的特点。
总的来说，残余应力的检测对于材料的质量控制和工程应用具有重要意义。
不同的检测方法各有特点，可以根据具体情况选择合适的方法进行应用。
在进行残余应力检测时，需要注意操作规范，确保测量结果的准确性和可靠性。
希望本文介绍的残余应力检测方法对您有所帮助。
残余应力基本知识
拉伸作用引起凸出效应
垂直于表面的塑性“凸出”， 按照波松比关系，必然会产生 平行于表面的塑性收缩，而表 面之下未收缩，所以，
在被切削平面产生残余拉 应力
耕犁阶段
材料塑性滑移阶段
即“塑性凸出”，表面塑性收缩阶段
表一 残余应力峰值与喷丸预应力的关系
p(Kgf/mm2) ＋100 ＋75 ＋50 0 －98 rp(Kgf/mm2) －91 －88 －83 －63 ＋5
rp 51.30.5p(Kgf/mm2) (1)
上式的线性回归相关系数为0.973。
然后，对施加不同预应力喷丸，得到不 同残余应力的的钢板弹簧进行疲劳试验， 得到了这样的S—N曲线
残余应力基本知识简介
• 残余应力概念界定 • 残余应力的产生 • 残余应力的作用 • 残余应力的测量方法
一、残余应力的基本概念
定义
• 内应力：没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。
•历史回顾 1860年 Woehler 指出火车轴的断裂有内应力作用这个因素 1925年 Masing 首次提出将内应力分为三类。 1935年 Давиденков依据各类内应力对晶体的X射线衍射
内
外
残余 应力 （MPa）
实际测试得到的分布曲线却是这样的
400
300
200
100
剥层深度 （mm）
0
10
8
6
4
2
0
-100
-200
实测曲线与理论分析所得曲线 形状相似，区别在于表层及其 以下区间多了显著的拉应力。
实际情况是：钢板弯折 并没有达到90度，焊接 时施加外力，强制焊接 成型，于是把弹性变形 固定下来。
残余应力
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。
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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
由图中我们可以看出：当h/d < 1.2 时,A 、B 值随着 h/d的增加而增加。当h/d >1. 2 时,A 、B 系数在数值上 几乎没有变化。建议盲孔测量时, 孔深以1. 2 倍孔径为 宜。
图2.2.1
实验标定A、B系数与h/d的关系
2、孔口塑性应变对测量精度的影响 （1）钻孔引起的钻削应变：实测钻孔时，由于钻头对 试件的铣削作用，在孔壁处产生一定的加工塑形应变，此 应变将直接影响粘贴于孔边附近的应变计的应变读数，在 实测读数中应扣除钻削应变的影响。 处理方法：为了消除钻削应变的影响，须首先获得与 被测试件相同材料，相同钻制工艺下的钻削应变。此应变 系可通过零应力板（由精加工好的试件进行二次回火处理 消除内应力）贴片的标定试验获得，因板中无应力，钻孔 后的应变读数全部是由钻削引起的，这种应变称为钻削塑 性应变ε s。用实测应变ε a减去ε s即可得到残余应力释放 应变。
tan 2
2 2 3 1
3 1
1 ( 1 3 ) A 2 1 2 1 B 2( 2 1 ) ( 3 3 )
(2 .1 .7 )
由（a）-（b）得
即
1 2
1 2
1
(h ) (i )
2
1 2
co s 2 sin 2
( 3 1 ) (2 2 1 3 )
2
( j)
2
将（j）式代入（h）式和（i）式，得
1
1 4A 1 4A
( )
1 2
1 4B 1 4B
( ) 2 (2 ) 2
以上为通孔情况的计算分析。盲孔还没有理论解，实 际中所使用的构件，厚度一般都要远远大于钻孔的深度。 根据圣维南原理可知，当钻孔的深度达到一定孔深时，孔 深的改变对表面应力的影响就可以忽略。所以，对于达到 一定孔深的构件，表面残余应力仍然可以由通孔的计算公 式计算。 由于实际测量时环境因素对释放系数A、B的影响较大 。并且，盲孔并不完全等同于通孔，应变计是一个矩形片 ，而不是一点。所以，理论解只是真实解的近似值，真实 的释放系数A、B并不能由通孔的理论解获得，而应该由实 验标定或者有限元模拟获得。
r1 1 2 1 2
2
2
2
o o
2
1
钻孔前后应力发生了变化，钻孔前后的应力差称为释 放应力。用（2.1.2）式减（2.1.1）式可以得到O点的释放 应力为
1 ( ) a 2 1 ( )(3 a 4 4 a 2 ) co s 2 2 2 r r r 2 4 1 ( ) a 1 ( )3 a co s 2 2 4 2 2 r r 4 2 1 ( )(1 3 a 2 a )sin 2 4 2 2 r r
3 1 2 1 3
2
( )
1 2
( ) 2 (2 ) 2
3 1 2 1 3
tan 2
2 2 1 3
3 1
（2.1.8）式即是用释放系数表示的残余应力计算公式， 已知各敏感栅应变值，代入（2.1.8）式即可得到测点的残 余应力。 盲孔法测残余应力，就是利用释放应变与表面残余应 力的一一对应关系，先对已知表面应力的标准试样钻孔， 测出释放应变，计算出释放系数。当对同种材料进行残余 应力测试时，释放系数就是已知条件，只需要用相同的加 工方法加工出与测定释放系数试样相同几何尺寸的孔，测 量出释放应变的大小，就可以计算出残余应力的大小。
第二章 盲孔法的基本原理
2.1 盲孔法的基本原理
在无限大板任意处钻一盲孔（直径为2a，深度为d）， 则盲孔处的残余应力被释放，原有的应力失去平衡。如图 2.1.1所示，这时盲孔处的残余应力被释放，其大小与释放 应力是相对应的，并使原应力场达到新的平衡，形成新的 应力场和应变场。测出释放应变，即可利用相应公式计算 出试点的残余应力。在实际工程中，一般构件的厚度要比 钻孔的深度大得多，所以在实际测量中常采用盲孔法测量 残余应力。很多实验都表明，当孔深达到孔径的1~1.2倍 之后，再增加孔的深度，对测点的测量已经几乎没有影响。 所以在这个深度以上的盲孔可以采用通孔的公式计算应力。
2.2.3
影响释放系数精度的因素及处理方法
盲孔法测残余应力的主要任务之一就是获得精确的释 放系数A、B。下面简要介绍几种主要的影响因素。 1、孔深和孔径比对释放系数的影响 ［1］ 候海量等人 对921A钢进行了研究，得出了孔深与孔 径比对释放系数A、B的影响，孔深成为对盲孔法测残余应 ［2］ 力精度的主要影响因素。裴怡等人 通过研究孔深与孔径 比对A、B的影响，给出了实际测量时的最佳孔深与孔径比 的范围，并给出了释放系数随孔深与孔径比的变化趋势图 ，认为孔深与孔径比在1.2-1.5时，测量效果最好。
r
r1 ro 1 2 1 2
2
4
2
1
o
1
2
1
2
r
r 1
r o
1
2
由释放应力引起的应变称为释放应变。将（2.1.3）式 代入应力-应变关系式
r
1 E
( )
r
(2 .1 .4)
可以得到释放应变为
1 1 ( ) (1 ) a 1 ( ) 3 (1 ) a 2 4 E 2 r 2 r
(2 .2 .2)
对标定式样施加单向应力场，测得钻孔前后的应变值 ，计算出相应方向的释放应变，即可按（2.2.2）式计算 出释放系数。
2.2.2
标定步骤
释放系数的实验标定步骤： 1.在试样上粘贴残余应力应变花，待固化后连接到静态电阻 应变仪。 2.将试样安装到材料试验机中并进行调整，施加初载F0（已 消除试件内的初始应力），静态电阻应变仪调平衡，加载 到预定荷载F1（F1<s A0/3，使孔边不产生局部屈服，A0为 试件的横截面面积），读取各敏感珊的应变值10、20 、30，重复若干次，取其平均值。 3.从材料试验机中卸下试样，钻孔。
实验标定原理
由（2.1.8）式可以得到
1 ( 1 3 ) A 2 1 2 1 2 2 B ( 3 1 ) (2 2 1 3 ) 2( 2 1 ) 2 2 1 3 ta n 2 3 1
(2 .2 .1)
释放系数的标定通常在已知应力场中进行，为了方便 起见，采取单向均匀拉伸应力场。此时， 1 , 2 0 , 0 代入（2.2.1）式可得
( ) A 1 3 2 1 3 B 2
2.2
释放系数的实验标定方法
实验标定方法是最基本的方法，这种方法操作费时费 力，不仅在钻孔的对中性及深度方面有很精确的要求，而 且读数时间也有要求。但是由于实验标定与被测构件采用 同种材料，其释放系数值与真实值较为接近，所以一般认 为是准确值。可以作为其它方法获得释放系数的研究基础 。
2.2.1
4.将试样重新安装到材料试验机中并进行调整，施加初载F0 ，静态电阻应变仪调平衡，加载到预定载荷F1，读取各敏 感珊的应变值11、21、31，重复若干次，取其平均值 。 5.将施加载荷F=F1-F0后的释放应变 1= 11- 10 2= 21- 20 代入（2.2.2）式即可的到释放系数A和B。 释放系数A、B确定以后代入（2.1.8）式便可以求出测点 的残余应力了。
2
r 1 2 1 2
4
4
a
2 2 r
co s 2
(2 .1 .5 a )
令
B
A 1 2E 1 2E
2 a (1 ) 2 r
4 2 a a 3(1 ) 4 4 2 r r