西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造教育部重點實驗室 王增強 劉超鋒

殘余應(yīng)力主要是由構(gòu)件內(nèi)部不均勻的塑性變形引起的。各種工程材料和構(gòu)件在毛坯的制備、零件的加工、熱處理和裝配的過程中都會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力因其直觀性差和不易檢測等因素往往被人們忽視。殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響構(gòu)件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性、靜強度、疲勞強度和腐蝕開裂。特別是在承力件和轉(zhuǎn)動件上，殘余應(yīng)力的存在易導(dǎo)致突發(fā)性破壞且后果往往十分嚴(yán)重。因此，自20世紀(jì)50年代以來國內(nèi)外技術(shù)人員花費了大量的精力研究殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理、檢測手段、消除方法以及殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響[1]。

Guo等通過試驗的方法研究了車削和磨削產(chǎn)生的不同性質(zhì)的殘余應(yīng)力對工件疲勞強度的影響[2]；Seo等通過試驗和有限元模擬的方法揭示了在車輪制造和火車剎車過程中引起的殘余應(yīng)力和火車車輪疲勞壽命之間的代數(shù)關(guān)系[3]；Liu等用試驗的方法研究了殘余應(yīng)力對滾動接觸疲勞強度的影響[4]；董輝躍等研究了材料去除過程中殘余應(yīng)力的重新分布及該過程所引起的工件變形[5]；孫杰等基于理論計算和有限元模擬,研究了毛坯的初始殘余應(yīng)力對大型整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的影響[6]；Hiroyuki等研究了不同加工參數(shù)引起的殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響[7]，并且結(jié)合正交切削模型和刀尖圓角壓痕模型建立了殘余應(yīng)力預(yù)測模型[8]；王立濤對于銑削加工航空框類整體結(jié)構(gòu)件時的殘余應(yīng)力和變形機理進行了研究，并將研究成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)[9]。

在機械加工過程中殘余應(yīng)力的存在不僅影響零件的加工精度而且影響零件的使用性能和壽命[10]。因此，充分了解殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理并掌握殘余應(yīng)力測量和消除方法對于充分利用殘余應(yīng)力的有益的一面，避免殘余應(yīng)力帶來的危害以及改進加工工藝，延長工件的使用壽命和確保安全生產(chǎn)是十分有意義的。

本文主要研究了切削加工過程中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理，并對殘余應(yīng)力的測量方法以及殘余應(yīng)力的調(diào)整和消除手段進行了較為系統(tǒng)的闡述和比較，提出了在殘余應(yīng)力檢測和消除領(lǐng)域的一些建議，為進一步研究提供參考和借鑒。

殘余應(yīng)力的定義和分類

1 殘余應(yīng)力的定義

殘余應(yīng)力是指在沒有外力作用于物體時，物體內(nèi)部保持平衡的應(yīng)力。在沒有外力的作用下，物體內(nèi)部保持平衡的應(yīng)力稱為固有應(yīng)力，殘余應(yīng)力是固有應(yīng)力的一種[11]。

現(xiàn)在用一個簡單的例子說明殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。假設(shè)圖1中3根彈簧在自由狀態(tài)下的長度分別為L1、L2、L3，彈性常數(shù)為c。用兩塊剛性板將3根彈簧連接后的長度為L，并且連接之后整個系統(tǒng)不受外力的影響。設(shè)連接后3根彈簧上產(chǎn)生的力分別為F1、F2、F3，這時的F1、F2、F3就相當(dāng)于這個系統(tǒng)的殘余應(yīng)力且F1+F2+F3=0。

圖1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的彈簧模型示意圖

2 殘余應(yīng)力的分類

（1）根據(jù)殘余應(yīng)力影響的程度把殘余應(yīng)力分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力。1973年德國學(xué)者E. Macherauch進一步把宏觀應(yīng)力稱為第一類殘余應(yīng)力；把微觀應(yīng)力分為第二類和第三類殘余應(yīng)力。第一類殘余應(yīng)力存在于材料的較大范圍或許多晶粒范圍內(nèi)并且保持相互平衡，它的大小和方向可以用常用的機械和物理方法進行檢測。這種殘余應(yīng)力對于所加工的產(chǎn)品是否合格以及最終產(chǎn)品的性能能否達到設(shè)計要求等都會產(chǎn)生很大的影響。因此，在實際生產(chǎn)過程中所關(guān)注的殘余應(yīng)力一般指第一類殘余應(yīng)力。第二類殘余應(yīng)力是指存在于晶粒范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力。第三類殘余應(yīng)力是指存在于晶粒內(nèi)部的粒子之間的晶內(nèi)應(yīng)力[11-13]。

（2）根據(jù)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，把宏觀應(yīng)力相對應(yīng)地叫做體積應(yīng)力；微觀應(yīng)力叫做結(jié)構(gòu)應(yīng)力[11]。

體積應(yīng)力是由于物體受到外部不均勻的機械的、熱的、化學(xué)的作用而產(chǎn)生的。內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻的物體也會產(chǎn)生這種殘余應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由于物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻造成的，即使受到均勻的外部作用也會產(chǎn)生這種殘余應(yīng)力。

（3）殘余應(yīng)力按其表現(xiàn)形式可以分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。

當(dāng)工件在使用過程中承受外部載荷時，工件所受到的實際載荷是外部載荷和內(nèi)部殘余應(yīng)力的疊加。這就會影響到工件的實際承載能力，使工件在使用過程中容易發(fā)生突然的過載斷裂等，如果這種突然失效發(fā)生在關(guān)鍵部件可能會帶來重大的事故。另外，殘余拉應(yīng)力的存在會加速零件表面裂紋的萌生和擴展，降低零件的抗疲勞強度、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等。而殘余壓應(yīng)力則會在一定程度上提高零件的抗疲勞強度和耐腐蝕性[14-15]。因此，研究如何使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工工藝是非常有意義的。

金屬切削加工過程和殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理

1 金屬切削過程

在金屬的切削過程中，切屑是被加工材料受到刀具前刀面的推擠而沿剪切面剪切滑移形成的。在這個過程中，切削層金屬會發(fā)生一系列的變形，同時產(chǎn)生大量的熱。通常把金屬切削的變形過程分為3個變形區(qū)來研究[16]（圖2）。

第一變形區(qū)集中在刀尖與工件接觸的前端。在這個變形區(qū)內(nèi)，隨著刀具和工件的相對運動，切削層的金屬在達到材料的屈服強度之后就開始產(chǎn)生滑移，直到切削層與前刀面基本平行后停止滑移，退出第一變形區(qū)。由于第一變形區(qū)內(nèi)存在大的剪切變形和摩擦，因此會產(chǎn)生大量的熱。

在第一變形區(qū)內(nèi)形成的切屑會隨著刀具的移動沿著前刀面的方向流動。流動過程中，切屑底層和前刀面會發(fā)生進一步的摩擦和擠壓，這個過程伴隨著塑性變形的產(chǎn)生和熱量的釋放，這就形成了第二變形區(qū)。

由于刀尖鈍角的存在，在第一變形區(qū)中切削層金屬并沒有被完全切除而會留下薄薄一層未被去除的金屬。當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ鄬\動時，這一薄層金屬會被擠壓通過切削刃鈍角和后刀面。在這個過程中表層金屬會發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生熱量而基體則產(chǎn)生彈性變形，這就是金屬切削過程的第三變形區(qū)。

圖2 切削加工示意圖

2 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理

關(guān)于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理，從理論上定量分析還存在困難，因此只能對其進行定性分析[17]。切削過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)，也與熱應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)。

（1）由機械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力[10-12]。刀具切削工件材料過程中，刀尖前方的三角形區(qū)域會隨著刀具的運動而產(chǎn)生沿著切削方向的壓縮塑性變形和垂直于切削表面方向的拉伸塑性變形（塑性凸出效應(yīng)）,如圖3所示[11]。因此，在沿著切削表面的方向會有拉伸殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。與此同時，刀具的后刀面會對已加工表面有進一步的擠壓和摩擦，會使其表面發(fā)生塑性伸長而產(chǎn)生沿表面方向的壓縮殘余應(yīng)力。實際加工過程中由機械應(yīng)力所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是刀具接觸點前方塑性凸出效應(yīng)和刀具接觸點后方壓延效應(yīng)的疊加。

圖3 塑性凸出效應(yīng)形成簡圖

（2）由熱應(yīng)力所引起的殘余應(yīng)力[10-13]。金屬切削加工過程中的3個變形區(qū)由于摩擦和塑性變形的存在都會產(chǎn)生大量的熱。這些熱量很難及時散發(fā)出去，從而導(dǎo)致工件材料表面的受熱膨脹。但是表面的膨脹行為會受到基體的束縛而最終產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)工件完成加工逐漸冷卻到室溫后，產(chǎn)生壓縮塑性變形的表層會在工件表面形成拉伸殘余應(yīng)力。以上所說的情況并不包括工件在受熱和冷卻過程中可能發(fā)生的相變。如果切削過程中產(chǎn)生的熱量達到了工件材料的相變轉(zhuǎn)化溫度，則工件表層材料會在冷卻過程中發(fā)生相變而使其體積發(fā)生變化，最終在工件表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

在實際加工過程中，工件表面最終的殘余應(yīng)力狀態(tài)是以上幾種情況的疊加。一般情況下，若切削速度較低，冷卻情況良好，切削溫度不是太高時，機械應(yīng)力會對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和性質(zhì)起主導(dǎo)作用。當(dāng)切削速度較高、切削溫度也相應(yīng)升高時，工件材料表面的熱塑性變形會起主導(dǎo)作用。當(dāng)切削速度進一步升高，切削溫度達到一定數(shù)值時，工件材料的相變就會對工件表面最終的殘余應(yīng)力性質(zhì)起主導(dǎo)作用[18-21]。由此可以看出，在切削加工過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個非常復(fù)雜的過程，與切削加工過程中的熱力耦合密切相關(guān)。

殘余應(yīng)力的檢測及消除方法

殘余應(yīng)力的檢測方法有很多，根據(jù)其測試過程對被測構(gòu)件是否產(chǎn)生破壞可以分為有損檢測法（取條法、切槽法和鉆孔法等）和無損檢測法（X射線法、磁性法和超聲法等）。有損檢測法又叫做機械檢測法或應(yīng)力釋放法，無損檢測法又叫做物理檢測法。

1 有損檢測法

有損檢測法是指通過切槽、取條或逐層剝除等方法使構(gòu)件相應(yīng)部位的殘余應(yīng)力釋放出來,再通過對被測構(gòu)件尺寸變化的測量來計算得到殘余應(yīng)力的具體數(shù)值的檢測方法[10-11,22-24]。

（1）取條法：取條法是指在存在殘余應(yīng)力的構(gòu)件上，沿著殘余應(yīng)力存在的方向切取矩形等截面長條，使存在的殘余應(yīng)力完全釋放，再通過測量在殘余應(yīng)力存在方向上構(gòu)件尺寸的變化值計算出該方向的殘余應(yīng)力的值。

（2）切槽法：切槽法需要在構(gòu)件表面上切削圍成一定區(qū)域的溝槽，使所圍成的區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力完全釋放出來，再通過對應(yīng)變的測量來計算獲得殘余應(yīng)力。

（3）鉆孔法：鉆孔法是一種對構(gòu)件破壞性相對較小的一種有損檢測方法。對存在殘余應(yīng)力構(gòu)件的表面鉆一個小孔，使小孔處的殘余應(yīng)力得以釋放，再通過粘貼在孔鄰近區(qū)域的應(yīng)變片來測量相應(yīng)的位移和應(yīng)變，最后可以通過計算來得到在鉆孔處深度方向上的平均殘余應(yīng)力值。

采用有損檢測法檢測殘余應(yīng)力時，會對被測部件的表面造成損傷和破壞，因而在一定程度上影響了零件的力學(xué)性能甚至導(dǎo)致直接報廢。在實際生產(chǎn)中需要進行殘余應(yīng)力檢測的部件往往運用在關(guān)鍵部位且造價不菲，不允許對被測部件表面造成損傷。因而，有損檢測法會對被測部件造成損傷的缺點嚴(yán)重制約了它的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景。

2 無損檢測法

殘余應(yīng)力的無損檢測法主要是通過物理光學(xué)和核物理技術(shù)來測量材料內(nèi)部的物理常量（如晶格常數(shù)）在應(yīng)力場中的變化來間接算出物體內(nèi)部殘余應(yīng)力值的方法[11,25]。

（1）X射線衍射法。X射線衍射法測量殘余應(yīng)力是基于X射線衍射理論。當(dāng)一束波長為λ的X射線照射在晶體表面時，會在特定的角度（2θ）上接收到X射線反射光的波峰，這就是X射線衍射現(xiàn)象。

1912年Braag和Laue提出了布拉格方程，建立了宏觀上可測量的衍射角（2θ）和晶面間距的確定關(guān)系，使得用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力成為了可能[12]。用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力的原理見圖4。布拉格方程：

圖4 X射線衍射法示意圖

式中，θ為X射線衍射角的1/2，d為被測材料的晶面間距，λ為入射X射線的波長[26-28]。

假設(shè)某晶面間距在無外力作用下為d0，受力后變?yōu)閐，則應(yīng)變?yōu)椋?/p>

根據(jù)胡克定律，應(yīng)力為：

式中，K為彈性常數(shù)，當(dāng)入射線的波長選定之后（λ一定），通過測定衍射角θ，即可由布拉格方程得到受力之后的晶面間距，繼而得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力值。這里需要指出的是由于晶體是各向異性的，因此式（3）中的彈性常數(shù)K和宏觀意義上的彈性模量E是不同的，需要根據(jù)所選擇的衍射晶面來計算出彈性常數(shù)K。

1961年德國學(xué)者Macherauch結(jié)合彈性理論和布拉格方程提出了測二維殘余應(yīng)力的法，基本方程為：

式中，E為彈性模量，μ為泊松比，θ0為沒有外力作用時被測材料的布拉格角，ψ為空間任意方向和被測點Z軸方向的夾角。

用法只能得到距離材料表面10μm深度范圍內(nèi)二維殘余應(yīng)力的平均值，但配合電解拋光可得到任意深度的殘余應(yīng)力。若想得到三維殘余應(yīng)力沿其深度方向的分布，可通過X射線積分法、泰勒級數(shù)展開法、拉氏變換法及剝層法和法配合使用等方法來實現(xiàn)[27-28]。圖5為用X射線衍射法檢測葉片表面殘余應(yīng)力的應(yīng)用實例。

圖5 X射線檢測實例

在各種無損檢測殘余應(yīng)力的方法中，X射線衍射法被公認(rèn)為是最精確可靠和方便快捷的，最重要的是對被測工件不會造成任何損傷和破壞。因此，X射線衍射法在國內(nèi)外的機械工程和材料學(xué)科方面得到廣泛應(yīng)用。

（2）磁性法。磁性法分為磁噪聲法和磁應(yīng)變法。磁噪聲法的理論基礎(chǔ)是當(dāng)鐵磁材料處于外加交變磁場中時,磁疇壁會發(fā)生不連續(xù)的跳躍式急劇變化, 從而在探測線圈中引起噪聲，此現(xiàn)象稱為磁噪聲, 又稱為巴克豪森磁噪聲（BN）。研究表明，BN對材料中的應(yīng)力和顯微組織及晶粒缺陷很敏感，因此可以通過測量BN在探測線圈內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的脈沖電壓信號的大小來檢測材料的應(yīng)力、顯微組織和缺陷[22,29]。磁應(yīng)變法是利用鐵磁性材料在外磁場作用下所表現(xiàn)出的磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)的。當(dāng)被測材料受到力的約束時，其磁致伸縮會受到阻礙，磁導(dǎo)率變小。磁導(dǎo)率和所受約束力之間有線性關(guān)系：

式中，λ0為無應(yīng)力狀態(tài)下的磁致伸縮系數(shù)，μ0為無應(yīng)力狀態(tài)下的磁導(dǎo)率，μσ為應(yīng)力作用下的磁導(dǎo)率，σ為所受應(yīng)力值，磁導(dǎo)率的變化和測量回路中的電流的變化有確定的關(guān)系。因此，可以通過測定傳感器中電流的變化來確定殘余應(yīng)力的值。

用磁性法測定殘余應(yīng)力時，被測材料必須是鐵磁性材料（鐵、剛、鎳鈷合金等），而且測量結(jié)果的精度和可靠性不高。它的優(yōu)勢在于所用儀器設(shè)備輕便，便于現(xiàn)場操作，反應(yīng)快、測量時間短，適用于大型工件的殘余應(yīng)力檢測。

（3）超聲波法：當(dāng)被測材料中有殘余應(yīng)力產(chǎn)生時，會引起被測材料內(nèi)部力學(xué)性能的變化。聲波在材料內(nèi)部傳遞時也會發(fā)生速度的變化。超聲波法就是利用應(yīng)力引起的聲雙折射效應(yīng)來測量聲波傳播路徑上的平均應(yīng)力值[12,29]。

超聲波法的最大特點是不受測量深度的限制，但是同樣存在測量精度低、結(jié)果不可靠等缺點。目前該技術(shù)還不成熟，還處于試驗研究階段。

除了上述的一些檢測方法外，還有諸如：中子衍射法、電子散斑法、金屬磁記憶法和硬度法等一系列適用于各種不同環(huán)境條件下的檢測方法。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的檢測條件和經(jīng)費狀況等選擇。

3 消除殘余應(yīng)力的方法

殘余應(yīng)力的存在會嚴(yán)重影響零件的加工精度、使用性能以及使用壽命。因此，必須采取相應(yīng)的工藝來降低或消除不良的殘余應(yīng)力。

（1）保證零件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，盡量避免尖角和壁厚不均等結(jié)構(gòu)[30]；優(yōu)化加工工藝路線并在每個工藝選擇合理的加工參數(shù)，降低零件在每個加工工序中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時通過合理的加工工藝的配合來降低殘余應(yīng)力。

（2）自然時效處理[30-31]。把工件在室內(nèi)或室外放置一段時間，在晝夜溫差和復(fù)雜的“環(huán)境振蕩”的作用下工件內(nèi)部的原子發(fā)生微觀位移和擴散，導(dǎo)致微觀殘余應(yīng)力下降，同時促進工件在宏觀意義下的塑性變形，從而達到降低殘余應(yīng)力的目的。這種方法需要的時間較長，且消除殘余應(yīng)力的能力有限。

（3）人工時效處理[11,30-31]。最常見的人工時效處理是時效退火。由于材料的屈服強度會隨著溫度的升高而降低，時效退火法就是把工件加熱到材料的回復(fù)或再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)保存幾小時甚至幾十小時，來降低材料的屈服強度，使那些在殘余應(yīng)力作用下達到屈服極限的部分發(fā)生熱塑性變形來消除殘余應(yīng)力的。這種方法要保證冷卻速度足夠緩慢，以免在工件冷卻過程中產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。目前人工時效處理應(yīng)用非常廣泛，它最高可以消除部件內(nèi)部80%的殘余應(yīng)力，但是它存在可能引起部件材料的高溫軟化，其設(shè)備昂貴，對環(huán)境也有一定污染等缺點。

（4）振動時效處理[32]。振動時效是利用機械共振的方法消除或均化金屬結(jié)構(gòu)在鑄造、鍛壓、焊接和切削等機械加工后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。它通過向工件施加一定大小和頻率激蕩力的方式給工件傳遞能量，使工件發(fā)生微小或宏觀塑性應(yīng)變來勻化和消除殘余應(yīng)力。振動時效法不僅可以大幅度地消除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，而且設(shè)備簡便，節(jié)能環(huán)保，消除殘余應(yīng)力效率高。

（5）局部塑性變形法。對于精度要求不高的零件，可以在其殘余拉應(yīng)力存在的表面通過手錘敲擊或過載的方法使其沿著拉應(yīng)力的方向產(chǎn)生塑性變形來消除殘余應(yīng)力。

結(jié)束語

（1）切削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是切削過程中機械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。雖然已經(jīng)充分了解了殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理，但是對殘余應(yīng)力定量的控制和分析還存在困難，這應(yīng)該作為今后殘余應(yīng)力研究的方向。

（2）殘余應(yīng)力檢測技術(shù)對于生產(chǎn)出合格的零件是必不可少的。在目前應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力檢測方法中，X射線殘余應(yīng)力檢測法是最為便捷、可靠和有效的。因此，X射線衍射法應(yīng)作為殘余應(yīng)力檢測技術(shù)的主要方法。

（3）殘余應(yīng)力的消除方法對于改善產(chǎn)品質(zhì)量，延長產(chǎn)品壽命有很大的幫助。人工時效法消除殘余應(yīng)力效率高且形成了規(guī)范，是現(xiàn)在最廣泛采用的方法。振動時效法消除殘余應(yīng)力在經(jīng)濟性、環(huán)保性和消除效率方面明顯優(yōu)于其他方法，因此，振動時效法可作為今后研究殘余應(yīng)力消除的主要方法。

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