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表面残余应力
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。<
/p>
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
关键词
：残余应力；
切削变形；磁测法；喷丸强化；
残余应力对构件的
影响
[1]
。
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
treatment
and
assembly
process
will
produce
different
degree
of
residual
stress.
Residual
stress
because
of
its
intuitive
factors
such
as
poor
and
difficult
to
detect
is
often
neglected.
Seriously
affect
the
residual
stress
of
component machining
precision and dimension stability,
static strength, fatigue strength and
corrosion cracking.
Especially
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
[2]
。
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
auch
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<
/p>
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
< br>( 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
σ
r
Ⅲ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<
/p>
形区）
< br>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）
< br>
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
< br>,
刀具的后刀面与已加
工表面产生很大的挤压和摩擦<
/p>
,
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
,
< br>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。
（
< br>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
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