巴發(fā)海, 劉宇希

(上海材料研究所，上海市工程材料應用與評價重點實驗室, 上海 200437)

殘余應力在機械構件及產品制造過程中廣泛存在,無論是毫米量級的微小零件，亦或是重達數百噸的重要大鍛件、鑄件，殘余應力的狀態(tài)(大小和分布)都不容忽視。

殘余應力的測試與評價可對材料的失效分析起輔助作用，是失效分析獲得所需數據切實可行的手段之一。一些重大失效案例，如大鍛件的滯裂現象以及在一些腐蝕環(huán)境中出現的應力腐蝕問題，都與構件中的殘余應力有直接的因果關系。此外，依據應力測試與評價結果，采取適當的糾正措施，可改善殘余應力狀態(tài)，如預防、減小或消除應力，改進和優(yōu)化產品制造工藝，從而延長部件的服役壽命?？赏ㄟ^選擇獨立的樣本群體來代表感興趣的制造階段，以便評估制造工藝對部件應力狀態(tài)的影響，幫助技術人員識別可能引入不良的應力狀態(tài)的制造過程，以達到提高疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命的目的。因此，殘余應力的測試和評價越來越受到制造業(yè)及失效分析工作者的重視。

殘余應力的測試方法眾多，X射線衍射(XRD)技術作為一種非破壞性測試方法，由于其理論成熟、方法簡單，在工程上應用更為廣泛。但現實是許多XRD測試結果往往與預期的結果差異較大，使得分析人員對殘余應力的測試結果產生很大的疑惑，無法用來分析工藝過程或失效行為。因此，正確理解殘余應力及其產生原理，分析殘余應力的測試結果的合理性、準確性，合理解釋和表征殘余應力狀態(tài)就顯得非常重要。

1 殘余應力的產生

產品的制造過程會產生殘余應力，主要包括下列過程:① 熱加工(鑄造、鍛造、焊接);② 熱處理;③ 冷加工(成型、機械加工、磨削);④ 電鍍與熱鍍鋅;⑤ 表面化學熱處理(滲碳、氮等);⑥ 裝配。

研究發(fā)現，不同制造工藝的殘余應力狀態(tài)是大不相同的。圖1為火焰淬火后殘余應力的表面和心部的應力分布，心部為拉應力，表面為壓應力；圖2為軋輥淬火態(tài)從心部到表面的應力分布。實測其最大拉應力在1/2壁厚處，而表面和心部則為壓應力；圖3為滲碳層的淬火應力分布，應力逐漸由表面的拉應力過渡到近表層的壓應力；圖4為磨削加工過程中不同磨削方向、不同進刀量條件下加工表面的殘余應力狀態(tài)[1];圖5為某失效壓力容器裂紋源焊縫橫截面上(雙坡口，壁厚為24 mm)殘余應力分布，可見不同方向和位置殘余應力波動很大，近1/4壁厚處拉應力較大;圖6為鑄件的冷裂失效。當鑄件處于彈性狀態(tài)、鑄件冷卻過程中殘余應力超過材料的強度極限就會產生冷裂紋。冷裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受拉應力的部位，特別是拉應力集中的部位。圖6中裂紋位置由于沒有工藝拉筋,冷卻過程中存在過大的拉應力導致開裂；圖7為汽化器鋼管的脹裂照片，由于員工誤操作，汽化器內部壓力極速升高造成較大的內應力，殘余應力疊加超出材料強度導致管子鼓脹變形進而開裂，開裂后應力得到釋放。從圖8殘余應力的測試結果來看，仍然存在高達600 MPa的拉應力，大大超過了管子實測的屈服強度(302 MPa)，接近抗拉強度(630 MPa)。可見，殘余應力測試結果驗證了塑性變形脹管和服役應力過大的失效原因。

圖1 火焰淬火殘余應力分布

圖2 軋輥淬火殘余應力(φ 400 mm)分布

圖3 滲碳層殘余應力分布

圖4 GCr15軸承磨削加工表面殘余應力狀態(tài)

圖5 壓力容器縱焊縫橫截面上的應力分布

圖6 灰鑄鐵塔底座的應力開裂

圖7 汽化器變形開裂失效照片

圖8 失效管表面橫向應力測試結果

圖9為鍛件熱處理過程中不同應力來源及應力分布示意[2]，這些應力包括熱應力、組織應力和比體積變化應力，其最終的應力合成結果是中心部位為拉應力，表面為壓應力。加熱后受到急冷的表層因馬氏體相變而發(fā)生膨脹，會受到心部的牽制，結果是本來要膨脹的表層因受到來自內側的牽制而產生壓應力，心部則產生拉應力。最終形成表面壓應力，心部為拉應力。正是由于心部拉應力的存在，熱處理完全淬透鍛件多為從心部或近心部開裂。大型鍛件的一個重要失效形式就是滯裂(毛坯件或最終加工件在安裝件放置一段時間后自然斷為兩段的現象)。精軋機電機軸由于鍛后退火等去應力熱處理不及時，一個月后其發(fā)生滯裂現象(見圖10)[3]。滯裂的一個重要原因就是鍛件心部殘存較大的殘余拉應力，如果再伴隨除氫不良，開裂的可能性就會大大增加。

圖9 鍛件熱處理應力類型與分布示意

圖10 精軋機電機軸滯裂現場

圖11為管與管板常見連接方式示意。換熱器中的管與管板連接方式有脹-焊連接、僅脹未焊連接以及僅焊未脹連接3種。無論哪種連接方式，不銹鋼管束的應力腐蝕經常在脹與未脹過渡區(qū)發(fā)生。這與滾脹連接時的局部變形存在較大的縱向殘余拉應力有關，其表面殘余應力分布曲線如圖12所示。

圖11 管與管板常見連接方式示意

圖12 0Cr15Ni75Fe耐蝕合金管材與管板脹接后滾脹區(qū)內表面殘余應力分布曲線

支撐輥殘余應力沿截面的分布曲線如圖13所示，試驗表明[4]，φ180 mm的45Cr4NiMoV支承輥表面淬火+200 ℃回火10 h后的表面為壓應力，壓應力層深約30 mm，從表往里逐漸由壓應力變?yōu)槔瓚Γ瓚Ψ逯党霈F在60 mm處，最大拉應力并不在支承輥鍛件的中心部分。最易萌生裂紋的地方并非在中心，而是在1/2R到1/3R處。圖14為磨削和噴丸兩種加工方式下表面縱向殘余應力的分布，相對于磨削加工，噴丸處理后表面層一定厚度內可以獲得較大的殘余壓應力分布。

圖13 支撐輥殘余應力沿截面的分布曲線

圖14 噴丸和磨削表面殘余應力分布

可見，機械零部件的制造過程總伴隨著應力的產生，大的殘余應力對零部件的開裂等失效行為有直接的影響。通過對零件制造過程殘余應力沿截面分布的規(guī)律進行研究，可以對殘余應力分布規(guī)律有較好的認識，并應用于后續(xù)的工藝過程。

2 殘余應力對構件性能的影響

(1)殘余應力對靜強度和變形的影響。對塑性材料影響不大，或沒有影響。對淬火回火態(tài)工件影響不可忽視。

(2)對硬度的影響。從原理而言硬度可分為壓入硬度和回彈硬度。無論哪種硬度的測定值都會在一定程度上受到殘余應力的影響，從而使測得的硬度值有所變動。在測定壓入硬度的情況下，殘余應力會影響到壓入部分周圍的塑性變形。如納米壓痕測試過程產生的凸起(Pile up)和沉陷(Sink)現象。

(3)對疲勞的影響。一般，當承受交變應力的構件存在殘余壓應力時，構件的疲勞強度提高；當存在殘余拉應力時，構件的疲勞強度下降。適當的、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度,提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的重要因素。研究結果證實，應變疲勞(LCF)的壽命對應力(或應變)的變化很敏感。5%10%的應力差異會導致高達50%的LCF壽命差異[5]。圖15中S-N曲線(應力-壽命曲線)顯示，對于兩個相同的齒輪，齒輪B疲勞極限的應力范圍為1 256 MPa，而雙噴丸齒輪A的應力范圍則增加了38%，達到1 710 MPa[6]。殘余應力的變化可能會影響S-N曲線的位置，并進而改變疲勞壽命。

圖15 噴丸與未噴丸齒輪S-N曲線

由于噴丸處理技術可以形成表面的壓應力，從圖16可以看出，噴丸后殘余壓應力提升了裂紋張開的閾值，使裂紋萌生產生了明顯的延后效應。圖17[6]定性地描述了殘余應力抵償外加應力合成后的總應力，以及其對疲勞強度的影響，殘余壓應力可以在很大程度上抵償外加應力的作用。硬齒面齒輪的有效硬化層因存在殘余壓應力，可以降低齒輪的載荷應力，使齒根的抗彎曲疲勞強度和齒面的抗接觸疲勞強度得以顯著提高。對深層滲碳硬化層進行殘余應力測試，可以為確定合理的滲碳層深度提供重要技術支撐。

圖16 Ti-6Al-4V噴丸后殘余壓縮應力曲線

圖17 滲碳淬硬層應力分布與抵償外加應力示意

(4)對脆性斷裂和應力腐蝕開裂的影響：對低溫脆性斷裂和應力腐蝕開裂等突然性的失效形式，殘余應力的作用是顯著的，有大量的事例和分析表明有許多類似的失效現象是由殘余應力導致的，或殘余應力起到了至關重要的作用。

一般焊縫熱影響區(qū)(HAZ)會殘留較高的殘余應力，從而導致焊縫部位產生熱裂和冷裂以及延遲裂紋。服役環(huán)境中由于服役應力和殘余應力的疊加或單獨存在，如果有腐蝕介質的情況下同時存在敏感金屬材料，那么在焊縫部位發(fā)生應力腐蝕和腐蝕疲勞的可能性會大大提高。要減少腐蝕的發(fā)生概率，改變腐蝕環(huán)境或介質并不現實，改變合金材料的選擇也是一個系統(tǒng)工程，那么改善應力的類型和分布也許就是一個優(yōu)化的選擇。減輕拉應力充其量只能是部分解決方案，因為要完全釋放部件中的所有拉應力，必須使加熱溫度達到可能改變材料性能的退火溫度。而退火不可能改變服役過程中施加的任何拉力載荷。因此，抑制或防止SCC(應力腐蝕開裂)的有效方法是引入壓應力。

3 結語

分析了幾種典型制造工藝過程中殘余應力的產生機理和分布規(guī)律，并對殘余應力對構件性能的影響進行研究，指出殘余拉應力對腐蝕介質和交變應力下的構件危害較大，一定范圍的殘余壓應力可提高材料疲勞壽命。文章對殘余應力的研究具有指導意義。