程勇杰，王燕霜，林江海，黃鵬程，申玉海

表面殘余應(yīng)力影響因素和調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展

程勇杰1,2，王燕霜1,2，林江海1,2，黃鵬程1,2，申玉海1,2

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，濟(jì)南 250300；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250300）

殘余應(yīng)力的存在在一定程度上影響了工件的疲勞壽命和抗腐蝕能力等，調(diào)控工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布在工程應(yīng)用上具有很高的研究?jī)r(jià)值，合理調(diào)控應(yīng)力能夠有效抵抗工件表面的裂紋萌生，提高工件表面整體完整性。具體闡述了殘余應(yīng)力的概念和分類；分別從銑削、磨削和焊接角度歸納了傳統(tǒng)加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)材料性能的影響；對(duì)相關(guān)殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述；概述了殘余應(yīng)力有限元計(jì)算方法；綜述了各種加工方法下，工藝參數(shù)對(duì)工件表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響；針對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)調(diào)控殘余應(yīng)力無(wú)法滿足工件的整體性能需求，歸納了時(shí)效法調(diào)控殘余應(yīng)力的機(jī)理；綜述了能夠進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控的表面強(qiáng)化處理技術(shù)，包括機(jī)械作用下的孔擠壓強(qiáng)化、超聲振動(dòng)磨削、噴丸工藝、超聲滾壓和激光沖擊、能量外部輸入下的高能聲束調(diào)控技術(shù)、高能量密度脈沖電流和激光輻照應(yīng)力調(diào)控技術(shù)。此外，針對(duì)單一表面強(qiáng)化處理技術(shù)調(diào)控殘余應(yīng)力的不足，概述了超聲擠壓-激光沖壓、激光沖擊-超聲滾壓以及激光沖擊-噴丸等相關(guān)的復(fù)合表面強(qiáng)化工藝。最后，指出了表面強(qiáng)化處理技術(shù)處理復(fù)雜曲面，以及復(fù)合表面強(qiáng)化工藝是未來(lái)表面完整性加工的發(fā)展方向。

殘余應(yīng)力；應(yīng)力檢測(cè)；疲勞壽命；參數(shù)優(yōu)化；表面強(qiáng)化處理

工件中存在殘余應(yīng)力的主要原因是工件內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的塑性變形。在毛坯的制備、熱處理、車削、磨削及裝配過(guò)程中，每一步工序都會(huì)產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力[1]。采用普通機(jī)械加工方法對(duì)工件進(jìn)行切削加工時(shí)，隨著切削時(shí)間和切削速度的增加，工件表面發(fā)生一定溫度的變化，溫度的波動(dòng)使工件產(chǎn)生熱塑性變形以及內(nèi)部晶相的改變，使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)工件的抗疲勞性和整體表面完整性產(chǎn)生極大的影響，可造成工件變形和開裂，促進(jìn)工件在使用過(guò)程中疲勞裂紋的萌生，制約工件的使用壽命。在許多工程應(yīng)用中，零件的壽命極限會(huì)受到殘余應(yīng)力的影響，通過(guò)時(shí)效法或表面強(qiáng)化處理技術(shù)，能夠有效地對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行消除和調(diào)控，從而達(dá)到提高工件疲勞壽命的目的。研究殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)在工程中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

本文將對(duì)殘余應(yīng)力的概念和類別進(jìn)行闡述，以銑削、磨削和焊接為對(duì)象，分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，以及殘余拉壓應(yīng)力對(duì)材料性能的影響；闡述優(yōu)化工藝參數(shù)以調(diào)控工件殘余應(yīng)力并使工件獲得最優(yōu)表面質(zhì)量的方法；概述殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，歸納時(shí)效法和表面強(qiáng)化處理技術(shù)對(duì)工件殘余應(yīng)力調(diào)控的工作原理；對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)調(diào)控應(yīng)力分布進(jìn)行總結(jié)以及對(duì)相關(guān)殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)做出展望。

1 殘余應(yīng)力的概念和分類

機(jī)械加工過(guò)程中，刀具作用在工件上的外力會(huì)在工件內(nèi)部傳遞，當(dāng)外力傳遞中斷后，工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)保持平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，被稱為固有應(yīng)力，殘余應(yīng)力是固有應(yīng)力的一種[1]。按作用范圍的不同內(nèi)應(yīng)力分為三大類，宏觀范圍內(nèi)分布的內(nèi)應(yīng)力是第一大類，又稱為宏觀殘余應(yīng)力。GB/T 7704—2017《無(wú)損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法》提出對(duì)宏觀殘余應(yīng)力比較明確的定義：沒(méi)有外力或外力矩影響，工件內(nèi)部自身保持平衡的應(yīng)力[2]。機(jī)械加工過(guò)程中，材料的表面會(huì)受到外載荷，在距材料表面一定距離范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外部載荷卸去后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留，形成一個(gè)相互平衡的力，即為殘余應(yīng)力。王增強(qiáng)等[3]通過(guò)彈簧示意圖形象地說(shuō)明了宏觀殘余應(yīng)力的概念，如圖1所示。3根在自由狀態(tài)下不同長(zhǎng)度的彈簧，將它們限制在某一定長(zhǎng)度的束縛板內(nèi)，3根彈簧內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生大小不同的力。當(dāng)作用在彈簧表面的束縛板撤銷后，工件內(nèi)還有變形未恢復(fù)，就會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

圖1 殘余應(yīng)力的彈簧模型示意圖[3]

微觀殘余應(yīng)力則是第二類內(nèi)應(yīng)力和第三類內(nèi)應(yīng)力，指微觀組織之間的平均應(yīng)力和晶粒內(nèi)部的應(yīng)力。熱影響引發(fā)組織的轉(zhuǎn)變，造成材料內(nèi)部體積的變化產(chǎn)生相變應(yīng)力。材料進(jìn)行化學(xué)處理（如滲碳、滲氮等）時(shí)，形成新的化合物組織，化學(xué)成分的改變導(dǎo)致材料內(nèi)部密度變化而產(chǎn)生應(yīng)力。夾雜物、相變、體積變化及熱應(yīng)力的作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力屬于組織結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。晶體的熱膨脹系數(shù)和彈性模量的各向異性、晶粒間的方位不同以及晶粒的滑移、位錯(cuò)、纏結(jié)和雙晶的形成會(huì)導(dǎo)致形成組織內(nèi)部的缺陷，外力去除后仍保留缺陷，形成晶體內(nèi)的微觀殘余應(yīng)力[4]。

2 殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)材料性能的影響

工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件的二次變形，影響工件整體性能的穩(wěn)定[5]。工件加工方式不同，殘余應(yīng)力場(chǎng)受控的條件也不同，因此產(chǎn)生機(jī)理也會(huì)不同。

2.1 銑削殘余應(yīng)力

對(duì)工件進(jìn)行銑削加工時(shí)，在刀具-工件接觸區(qū)會(huì)發(fā)生塑性變形、擠壓效應(yīng)和熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力形成[6]。銑削加工時(shí)，工件表層發(fā)生彈塑性變形，隨著切屑的脫離，工件表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力而心部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。強(qiáng)烈的塑性變形和摩擦使工件表層溫度很高，而心部溫度較低，切削后冷卻到室溫時(shí)，表層和心部溫差變化不同，金屬收縮程度不同，表層受心部金屬阻礙作用產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，心部則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。另外，切削時(shí)表層的溫度超過(guò)相變溫度時(shí)，表層金屬會(huì)發(fā)生相變，其內(nèi)部微觀組織形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，其體積增大而膨脹，受到內(nèi)部金屬阻礙作用，表層金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，反之，表層內(nèi)則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力[7]。王立濤等[8]采用彈塑性有限元法定性分析了銑削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，認(rèn)為工件所受外載荷不均勻、工件內(nèi)部組織的不均勻或晶粒的位差可引起工件內(nèi)部發(fā)生不均勻塑性和彈性變形，從而導(dǎo)致工件內(nèi)殘余應(yīng)力的形成。董兆偉等[9]采用有限元法對(duì)金屬的銑削加工進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)工件某一截面的殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：工件表層發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，在剪切拉伸作用下，表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而里層的金屬在彈性作用下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。銑削殘余應(yīng)力成因可以歸納為：機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形效應(yīng)、熱應(yīng)力引起的塑性變形效應(yīng)和表層局部金相組織轉(zhuǎn)變[10]。

銑削殘余應(yīng)力大小和分布，根據(jù)工件材料和切削條件的不同呈現(xiàn)不同的規(guī)律，工件的上表面一般表現(xiàn)出拉應(yīng)力，但有時(shí)也得到壓應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力在一定程度上降低工件疲勞強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)工件表面產(chǎn)生裂紋，影響工件的使用壽命，而殘余壓應(yīng)力則能提高工件的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能。工件各部位殘余應(yīng)力的釋放和重新分布，將導(dǎo)致殘余應(yīng)力分布不均勻，影響工件的形狀和尺寸穩(wěn)定性[11]。Yang等[12]研究了鈦合金Ti-6AI-4V工件周邊銑削殘余應(yīng)力對(duì)疲勞性能的影響得出：表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均有利于延長(zhǎng)疲勞壽命；而加工表面能越大，疲勞壽命越短；最大壓應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響比其他殘余應(yīng)力因素要大。

2.2 磨削殘余應(yīng)力

磨削加工可以看作是采用具有無(wú)數(shù)微型切削刃的砂輪進(jìn)行切削，可改善工件表面質(zhì)量，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的磨削熱。磨粒的機(jī)械作用在工件表層引起塑性變形，在磨粒與工件的接觸位置附近形成赫茲型應(yīng)力場(chǎng)，但機(jī)械應(yīng)力的作用有限，只在工件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。大量的磨削熱使工件表層溫度升高，導(dǎo)致材料表層受熱膨脹，但工件內(nèi)部限制其膨脹，使材料表層產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，此壓應(yīng)力很容易超過(guò)工件材料的屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性變形。冷卻過(guò)程中，表層將存在殘余壓應(yīng)變，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力[13]。同時(shí)磨削熱引發(fā)相變應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力類型與磨削前后金相改變的體積對(duì)比有關(guān)，比體積小的相向比體積大的相轉(zhuǎn)變時(shí)，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，反之，則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[14]。田欣利等[15]采用單顆粒金剛石模擬砂輪磨削來(lái)研究殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)果表明：磨削工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是由磨粒刃作用引起的擠壓應(yīng)力、切削應(yīng)力以及熱應(yīng)力的綜合作用引起的。劉偉香等[16]通過(guò)陶瓷材料的磨削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：擠壓應(yīng)力產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；切削應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力存在拉、壓應(yīng)力2種可能，但影響要比擠壓應(yīng)力??；熱應(yīng)力產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。Nelias等[17]采用半解析方法（SAM），模擬磨削刀具與工件之間的接觸，分別研究機(jī)械（法向力和切向力）和磨削熱下殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，解決了瞬態(tài)三維接觸問(wèn)題，對(duì)磨削殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)更加全面。

引發(fā)磨削裂紋的三要素是材料斷裂極限、工件原有應(yīng)力和磨削應(yīng)力。磨削加工時(shí)，當(dāng)工件的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂極限就會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋，材料的拉伸斷裂極限比壓縮斷裂極限低，則磨削拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生裂紋，而殘余壓應(yīng)力不僅能抑制裂紋的產(chǎn)生，而能促進(jìn)裂紋的閉合[18]。沿著磨削方向會(huì)產(chǎn)生較大的磨削拉應(yīng)力，因此磨削裂紋常垂直于磨削方向分布，如圖2所示。磨削殘余應(yīng)力對(duì)耐磨性的影響也非常顯著，當(dāng)表面為低壓應(yīng)力時(shí)，工件的耐磨性較好，表面為拉應(yīng)力時(shí)則耐磨性極差。因此，磨削后保持工件表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)是提高材料疲勞壽命和耐磨性所期望的。

圖2 磨削裂紋[18]

2.3 焊接殘余應(yīng)力

焊接是鋼結(jié)構(gòu)工件連接常用的加工方法，通過(guò)增加局部溫度引起原子之間的遷移使2個(gè)工件彼此相互接合[19]。焊接殘余應(yīng)力按發(fā)生源可以分為直接應(yīng)力、間接應(yīng)力和組織應(yīng)力三大類。直接殘余應(yīng)力是焊接過(guò)程中不均勻加熱和冷卻的結(jié)果。間接殘余應(yīng)力是對(duì)焊接件預(yù)處理使焊件存在部分殘余應(yīng)力并疊加到整體焊件中。組織殘余應(yīng)力是材料晶相組織改變產(chǎn)生的應(yīng)力。高溫使材料的屈服極限降低，發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，但熱膨脹運(yùn)動(dòng)受低溫區(qū)材料的約束，冷卻時(shí)焊縫區(qū)材料的收縮量大于低溫區(qū)，使焊縫位置產(chǎn)生較大的焊接殘余拉應(yīng)力。高廣明等[20]對(duì)焊接區(qū)和相鄰區(qū)域殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力分布在焊接區(qū)，壓縮殘余應(yīng)力存在相鄰區(qū)域。梁明[21]從焊接工件受熱不均、熱源不同和焊接前預(yù)處理角度分析了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理。

焊接殘余應(yīng)力影響焊接件的多種性能，附加應(yīng)力與焊接殘余壓應(yīng)力共同作用達(dá)到屈服極限時(shí)，工件的有效截面積降低，剛度和穩(wěn)定性將隨之下降。焊縫殘余拉應(yīng)力的存在易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，拉應(yīng)力值越大，腐蝕開裂時(shí)間越短。焊接工件的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)力循環(huán)的平均值變大，其幅值下降，疲勞強(qiáng)度降低，當(dāng)應(yīng)力集中范圍存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，抗疲勞性能將下降[22]。焊接工件為脆性材料時(shí)，殘余拉應(yīng)力與外載荷共同作用下，焊接件易斷裂，對(duì)焊接件進(jìn)行部分切除時(shí)，打破該區(qū)域的殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)，工件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性將受到影響[23]。Yadav等[24]研究了殘余應(yīng)力和平均應(yīng)力對(duì)鋁合金焊接件疲勞行為的綜合影響，結(jié)果表明：殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致平均應(yīng)力增加，造成裂紋擴(kuò)張范圍增大，降低了焊接接頭的疲勞壽命；由于拉伸殘余應(yīng)力的累積效應(yīng)和微觀組織對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙，隨著載荷幅值的變化，裂紋的形核位點(diǎn)將發(fā)生位移。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其產(chǎn)生機(jī)理歸納如下：（1）機(jī)械加工時(shí)，工件表面受外部應(yīng)力作用而產(chǎn)生的冷塑性變形；（2）機(jī)械加工時(shí)，生熱及冷卻過(guò)程造成的工件的熱塑性變形；（3）機(jī)械加工時(shí)，溫度的升高使材料的內(nèi)部晶相組織改變[25]。一般傳統(tǒng)切削加工，首先發(fā)生冷塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，隨著機(jī)械加工溫度的升高，熱塑性變形以及晶相組織的改變也產(chǎn)生殘余應(yīng)力，3種殘余應(yīng)力共同主導(dǎo)整個(gè)殘余應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生。

3 殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)與有限元計(jì)算方法

3.1 殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)概況

20世紀(jì)30年代殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)開始得到應(yīng)用，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的普及，以及試驗(yàn)方法和測(cè)試儀器的不斷更新，檢測(cè)數(shù)據(jù)的可信度大大提高，逐漸發(fā)展形成了射線法、磁測(cè)法、超聲法、曲率法和拉曼光譜法等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以及小孔釋放法、深孔法、環(huán)芯、剝層法、切槽法和云紋干涉法的有損檢測(cè)技術(shù)。

3.1.1 無(wú)損檢測(cè)

射線法包括X射線衍射法和中子衍射法，其中X射線衍射法是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣泛和最成熟的方法，已經(jīng)商業(yè)化。測(cè)試原理基于晶體的X射線衍射原理，如圖3所示，測(cè)量工件表面層晶格間距變化產(chǎn)生的應(yīng)變，通過(guò)衍射角和應(yīng)變之間的布拉格方程關(guān)系計(jì)算殘余應(yīng)力。該檢測(cè)方法可直接檢測(cè)工件表層，同時(shí)結(jié)合剝層法能夠測(cè)量深度方向的應(yīng)力分布，三大類應(yīng)力同時(shí)檢測(cè)，精度高。但X射線對(duì)金屬穿透深度較弱，設(shè)備昂貴，測(cè)量受衍射峰和工件表面狀態(tài)的影響，且存在衍射強(qiáng)度“突變”的缺點(diǎn)。中子衍射法原理與X射線衍射原理基本相同，極強(qiáng)穿透能力的中子使該方法具有測(cè)量較大體積材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，受中子源限制，測(cè)量樣品體積大導(dǎo)致空間分辨率較差，在一定程度上限制了該方法的商業(yè)化應(yīng)用。

圖3 X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試原理圖[26]

磁測(cè)法利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)測(cè)定應(yīng)力，包括磁記憶檢測(cè)法、磁聲發(fā)射法、磁應(yīng)變技術(shù)和磁噪聲技術(shù)等[27]。它的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快、非接觸且適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但存在檢測(cè)精度差、局限于鐵磁材料、無(wú)法定量標(biāo)準(zhǔn)化和磁污染等不足。提高磁傳感器的靈敏度，建立內(nèi)應(yīng)力與磁場(chǎng)變化的定量化關(guān)系和改良背景磁場(chǎng)是改進(jìn)該方法的關(guān)鍵[28]。

超聲法利用超聲波沿應(yīng)力傳播的臨界折射波速與應(yīng)力之間的特定關(guān)系檢測(cè)殘余應(yīng)力，通過(guò)超聲波在工件材料內(nèi)的傳播速度可以構(gòu)建應(yīng)力梯度分布。與其他檢測(cè)方法相比，具有以下特點(diǎn)：穿透能力強(qiáng)，無(wú)損檢測(cè)表層和內(nèi)部應(yīng)力分布且能夠?qū)崿F(xiàn)定向檢測(cè)；檢測(cè)效率高，攜帶方便，能夠一機(jī)多用；但測(cè)量時(shí)要做標(biāo)定試驗(yàn)，容易受時(shí)間、材料組織和環(huán)境溫度的影響。

拉曼光譜可以精確測(cè)定材料的晶格振動(dòng)能量，根據(jù)拉曼頻率與應(yīng)力的關(guān)系精確計(jì)算出晶體內(nèi)部的應(yīng)力[29]。該方法在微尺度測(cè)量方面具有無(wú)損、無(wú)接觸、空間分辨率高和光譜范圍大的優(yōu)勢(shì)，與其他微分測(cè)試儀器聯(lián)用，著眼于微區(qū)的原位檢測(cè)，可以獲取更多信息且可信度高。缺點(diǎn)是檢測(cè)靈敏低，易受樣品產(chǎn)生的熒光干擾。

曲率法檢測(cè)薄膜和涂層的殘余應(yīng)力是學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用中被認(rèn)可的方法之一?；阱兡で昂蠡w的曲率變化檢測(cè)薄膜應(yīng)力，利用幾何學(xué)和力學(xué)原理推導(dǎo)出基體曲率變化與薄膜應(yīng)力的關(guān)系。涂層的檢測(cè)基于涂層與基體之間力和力矩的平衡原理，測(cè)量涂層材料的整體曲率，從而計(jì)算出涂層的殘余應(yīng)力。但曲率法會(huì)受到基體厚度和處理方法的限制[30]。

3.1.2 有損檢測(cè)

機(jī)械式檢測(cè)殘余應(yīng)力是基于電阻應(yīng)變技術(shù)，切割、套孔或鉆小孔等方法將工件材料的殘余應(yīng)力部分釋放或完全釋放，電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)得應(yīng)變，換算后獲得殘余應(yīng)力值，應(yīng)變片鉆孔法檢測(cè)示意圖如圖4所示。鉆孔法是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)力檢測(cè)方法，包括直接通過(guò)Kirsch理論直接計(jì)算獲得的通孔法，以及需要標(biāo)定試驗(yàn)的盲孔法。鉆孔法具有精度高、設(shè)備便宜和工件損傷小等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量精度會(huì)受到孔徑、孔深和應(yīng)變片尺寸等多方面因素的影響，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)保證測(cè)量方法和技術(shù)操作的準(zhǔn)確性[31]。環(huán)芯法屬于部分破壞的一種，與鉆孔法采用相同公式計(jì)算應(yīng)力值，但應(yīng)變釋放量比鉆孔法更大，意味著準(zhǔn)確性和可靠性高于鉆孔法，但對(duì)設(shè)備和應(yīng)變量表的要求，限制了環(huán)芯法的應(yīng)用。剝層法屬于有損檢測(cè)中的全破壞類型，是測(cè)量工件內(nèi)部殘余應(yīng)力最實(shí)用的方法之一，通過(guò)機(jī)械切削或電化學(xué)腐蝕的方法逐層剝?nèi)ゲ牧?，釋放的殘余?yīng)力產(chǎn)生釋放應(yīng)變，測(cè)量應(yīng)變值后，用黏彈性模量計(jì)算剝除后的應(yīng)力值，從而得到工件材料內(nèi)部殘余應(yīng)力梯度值。近幾年該方法在應(yīng)力校正和優(yōu)化相關(guān)處理參數(shù)方面取得了很大進(jìn)展，常與XRD檢測(cè)相結(jié)合，獲得工件內(nèi)部殘余應(yīng)力。檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性要綜合考量去除材料的均勻性和可控性，避免壓力的引入和減少，同時(shí)低電解效率增加了檢測(cè)時(shí)間，不適合檢測(cè)殘余應(yīng)力變化劇烈的焊接工件。

圖4 應(yīng)變片鉆孔方法檢測(cè)示意圖[31]

云紋干涉檢測(cè)是一種具有發(fā)展和應(yīng)用前景的新檢測(cè)技術(shù)，在應(yīng)變分析、斷裂力學(xué)和殘余應(yīng)力檢測(cè)中得到成功應(yīng)用，具有靈敏度高、條紋質(zhì)量好、量程大、可實(shí)時(shí)觀測(cè)和全場(chǎng)分析等優(yōu)點(diǎn)[32]。應(yīng)力檢測(cè)原理有2種：幾何云紋法的空間虛柵理論和光的波前干涉理論。云紋干涉檢測(cè)是通過(guò)等位移條紋和廣義胡克定律計(jì)算得出殘余應(yīng)力，結(jié)合全息照相與傳統(tǒng)云紋方法的一種應(yīng)力檢測(cè)手段，如圖5所示，常與鉆孔、切槽結(jié)合使用，檢測(cè)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力分布。

圖5 云紋干涉檢測(cè)系統(tǒng)[33]

3.2 殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算方法

隨著對(duì)工件殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理理解的日臻完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)逐步應(yīng)用到殘余應(yīng)力的計(jì)算中，為工件加工前應(yīng)力分布預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)優(yōu)化提供極大的便利，大幅度降低直接試驗(yàn)驗(yàn)證的成本浪費(fèi)。

常規(guī)有限元計(jì)算中，位移法是平面和空間問(wèn)題最廣泛且最有效的求解方法，以結(jié)點(diǎn)位移為基本未知值，求出單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣{}e后，由幾何方程與物理方程求出單元的應(yīng)力列陣{}=[][]{}e。位移的收斂速度比應(yīng)力收斂速度高一階，求解的應(yīng)力精度較低，會(huì)存在應(yīng)力波動(dòng)的問(wèn)題，通常采用某種平均的辦法消除應(yīng)力波動(dòng)性，使計(jì)算精度得到提高[34]。在常規(guī)的殘余應(yīng)力有限元分析基礎(chǔ)上，根據(jù)工件加工制造狀況及工況環(huán)境的不同，學(xué)者們對(duì)殘余應(yīng)力有限元分析方法進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，能夠有效預(yù)測(cè)復(fù)雜的力學(xué)行為。焊接殘余應(yīng)力中相變是一個(gè)不可忽視的量，Zhao等[35]采用連續(xù)耦合的熱-機(jī)械模型，將冶金相變動(dòng)力學(xué)引入數(shù)值計(jì)算中，同時(shí)采用多層焊接程序，對(duì)X80鋼管道環(huán)焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。Macieje-wski等[36]以位錯(cuò)連續(xù)體理論為基礎(chǔ)，利用初始塑性變形場(chǎng)，假設(shè)位錯(cuò)密度張量場(chǎng)彈性不相容，提出一種預(yù)測(cè)位錯(cuò)晶體殘余應(yīng)力和晶格取向的有限元計(jì)算方法，為開發(fā)適合于確定應(yīng)力場(chǎng)和晶格方向的有限元數(shù)值計(jì)算方法提供了可能性。

復(fù)變有限元法能夠?qū)?fù)雜材料模型和物理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，不需要增量/迭代過(guò)程中進(jìn)行推導(dǎo)解決非線性問(wèn)題，而是通過(guò)復(fù)變量代數(shù)，克服了傳統(tǒng)數(shù)值微分方法固有的截?cái)嗾`差[37]。Fielder等[38]對(duì)厚壁球模型進(jìn)行自增強(qiáng)處理，并采用復(fù)變有限元法進(jìn)行殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)，將應(yīng)力結(jié)果與解析解和標(biāo)準(zhǔn)有限元結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：與解析解的數(shù)值導(dǎo)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)有限元解的有限差分相比，復(fù)變有限元的偏導(dǎo)結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性。

4 工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

殘余拉應(yīng)力會(huì)加速工件表面微小裂紋的萌生，隨著工件使用，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，降低工件的疲勞壽命極限和整體表面完整性，而殘余壓應(yīng)力對(duì)提高工件的疲勞壽命和硬度等性能有著顯著的效果。優(yōu)化工藝參數(shù)作為一種行之有效的手段，能夠在源頭上調(diào)控工件的殘余應(yīng)力。

4.1 銑削加工

銑削加工后，在多種因素綜合影響下，工件殘余應(yīng)力與表面距離之間的關(guān)系呈現(xiàn)“V型”變化特征，最上表層一般為殘余拉應(yīng)力，沿工件加工表面延伸到內(nèi)部由拉應(yīng)力過(guò)渡成壓應(yīng)力，隨深度增加，溫度影響降低而擠壓效應(yīng)增大，壓應(yīng)力先增大后減小[39]。研究切削速度、切削量和進(jìn)給量等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)銑削工件殘余應(yīng)力的影響，合理控制參數(shù)能夠減小殘余拉應(yīng)力對(duì)工件疲勞強(qiáng)度造成的負(fù)面影響，延長(zhǎng)工件的壽命極限。田身剛等[40]建立了鈦合金Ti6Al4V的銑削加工三維斜角切削有限元模型，發(fā)現(xiàn)切削速度增大，最上表層殘余拉應(yīng)力也隨之增大，同時(shí)殘余應(yīng)力層的厚度有增大的趨勢(shì)，隨切削深度的增大，殘余拉應(yīng)力值和應(yīng)力層深度變化不明顯。楊成云等[41]研究銑削工藝參數(shù)改變對(duì)Ti6Al4V 材料表面殘余應(yīng)力的影響，銑削深度為定量，隨著切削速度的增大，工件表層溫度升高，殘余拉應(yīng)力值增大；其他條件為定量，每齒進(jìn)給量越大，殘余拉應(yīng)力越大。此外，也有一些學(xué)者研究不同倒棱和鈍圓半徑刀具的硬態(tài)切削試驗(yàn)，分析其對(duì)銑削加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律[42-43]，為銑削加工調(diào)控殘余應(yīng)力和優(yōu)化工藝參數(shù)提供了理論指導(dǎo)。

4.2 磨削加工

工件磨削后殘余應(yīng)力分布為表面層形成一定程度的殘余壓應(yīng)力，次表層為最大殘余壓應(yīng)力，里層逐漸由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。磨削過(guò)程中壓應(yīng)力能夠有效提高表面質(zhì)量，減小一定的粗糙度，同時(shí)磨削后淬硬層顯微硬度與殘余壓應(yīng)力大小也存在一定相關(guān)性。張靜等[44]對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行平面磨削加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削速度和磨削深度增加，或進(jìn)給速度減小時(shí)，磨削淬硬層表面殘余壓應(yīng)力值減小，但最大殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力深度卻增加。王棟等[45]證明了在高速磨削條件下，隨著砂輪線速度的增加，18CrNiMo7-6滲碳淬火齒輪鋼的殘余壓應(yīng)力先增大后減小，磨削深度不大時(shí)磨削熱將對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起著主要作用。Shen 等[46]在磨削馬氏體時(shí)效鋼試驗(yàn)研究中得出：工藝參數(shù)對(duì)最大殘余壓應(yīng)力和表面殘余壓應(yīng)力的影響程度依次為磨削速度、進(jìn)給速度和磨削深度，同時(shí)得出殘余應(yīng)力場(chǎng)深與磨削參數(shù)存在較好的相關(guān)性，而最大殘余壓應(yīng)力深度與磨削參數(shù)之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。

磨削熱塑性變形產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，對(duì)工件的使用壽命造成很大的影響[47]，研究磨削參數(shù)對(duì)磨削熱產(chǎn)生，并進(jìn)一步調(diào)控工件表面殘余應(yīng)力組成和深度有很大的研究?jī)r(jià)值。Moulik等[48]建立磨削熱源數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)磨削殘余應(yīng)力受磨削用量和熱通量影響最大，熱源分布影響可忽略，磨削用量和熱通量增大，殘余應(yīng)力增大。吳書安等[49]針對(duì)Ti6Al4V合金建立了熱-力耦合的單磨粒平面仿真模型發(fā)現(xiàn)：由于磨削溫度的熱軟化效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致磨削產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力值相對(duì)降低，單磨粒的圓錐角比刃圓半徑對(duì)工件表面殘余拉應(yīng)力的影響更顯著。Pombo等[50]建立了接觸弧度-溫度場(chǎng)關(guān)系模型，同時(shí)推導(dǎo)出磨削接觸弧長(zhǎng)計(jì)算公式，通過(guò)磨削弧長(zhǎng)公式相關(guān)參數(shù)，可以推出某工藝參數(shù)下磨削產(chǎn)生的溫度場(chǎng)值?溫俊等[51]對(duì)磨削進(jìn)行熱-彈塑性多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，探索磨削區(qū)域溫度場(chǎng)分布及不同磨削參數(shù)對(duì)工件表層初始塑性應(yīng)變的影響，得到了在磨削參數(shù)下形成的初始熱塑性應(yīng)變和殘余拉應(yīng)力的磨削溫度閾值，并探索了磨削溫度和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，為預(yù)測(cè)磨削過(guò)程中殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)提供了研究基礎(chǔ)。磨削工件保持低磨削力和低磨削溫度，采用高磨削速度、小進(jìn)給速度和中等磨削深度能夠獲得較高的殘余壓應(yīng)力，降低殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，從而抑制疲勞裂紋，增加耐磨性。

4.3 其他加工方法

電火花加工是制造模具常用的加工手段，在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致模具表面產(chǎn)生微小裂紋，進(jìn)而形成宏觀裂紋，制約模具的抗韌性和抗斷裂性。李小松等[52]研究了不同電火花加工條件下Cr12MoV鋼的表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的分布形態(tài)與放電電流峰值、脈沖寬度和受脈沖間隔有關(guān)，當(dāng)電極與不同種材料組合加工時(shí)，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將不同，此外，殘余應(yīng)力深度和加工液種類無(wú)關(guān)，但冷卻能力和物理性能越差的切削液，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力值越大。

焊接時(shí)的溫度分布以及熱塑性變形，受焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和材料屬性等因素綜合影響，從而使工件的焊接殘余應(yīng)力分布各不相同[53]。一般在焊縫附近存在壓應(yīng)力，但隨著距離焊縫越近會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，沿厚度方向，根據(jù)不同工藝條件會(huì)產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力。李琴等[54]對(duì)焊接后的Q345鋼平板焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)：焊接速度增大以及焊接層間溫度降低均使橫向殘余拉壓應(yīng)力降低，而沿著焊接板厚度方向的殘余應(yīng)力存在先減小后增大的規(guī)律，同時(shí)焊接速度及層間溫度對(duì)橫向方向殘余應(yīng)力的影響大于厚度方向，但沒(méi)有提供一個(gè)明確的方法來(lái)預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力在整個(gè)厚度上的分布。張勝躍等[55]選取12Cr1MoV異質(zhì)接頭作為試驗(yàn)材料，分析焊接電壓和焊接電流對(duì)焊件殘余應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)：2個(gè)參數(shù)與焊接殘余應(yīng)力存在線性正相關(guān)的聯(lián)系。鄧賢輝[56]發(fā)現(xiàn)在焊接過(guò)程中，隨外界環(huán)境溫度的增大，縱向殘余應(yīng)力線性減小。此外，焊接熱源功率不同，最大焊接殘余應(yīng)力位置也不同。Wang等[57]研究了焊接順序?qū)型Q345鋼焊接殘余應(yīng)力分布的影響得出：焊接順序?qū)v向殘余應(yīng)力分布影響較??；對(duì)于橫向殘余應(yīng)力，焊接順序不會(huì)改變其分布特征，但影響拉應(yīng)力區(qū)寬度和最大拉應(yīng)力值。Feng等[58]研究了板寬對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響表明：板寬較大的焊接接頭焊縫區(qū)縱向殘余應(yīng)力更高。板寬較小的焊接接頭具有較低的散熱量，而且焊縫金屬熱膨脹系數(shù)較低，導(dǎo)致在焊縫區(qū)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，隨著板寬的增加，會(huì)對(duì)焊縫區(qū)縱向殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生一定范圍的不利影響。多位學(xué)者的研究結(jié)果表明：焊接后焊件的材料性能以及殘余應(yīng)力的分布，對(duì)焊接參數(shù)的控制有非常高的要求。

調(diào)控工件表面的殘余應(yīng)力，是通過(guò)控制某一工藝參數(shù)來(lái)影響工件的應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)分布以及晶相的改變。提高工件使用壽命和所需的工件表面質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)后無(wú)法達(dá)到所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)一步采用時(shí)效處理或表面強(qiáng)化處理工藝對(duì)工件的殘余應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化和調(diào)控。

5 時(shí)效法對(duì)殘余應(yīng)力的調(diào)控

時(shí)效處理的目的是消除工件內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織和尺寸、改善機(jī)械性能等，調(diào)控應(yīng)力方法包括自然時(shí)效法、熱處理時(shí)效法和振動(dòng)時(shí)效法。

利用環(huán)境溫度的變化和時(shí)間效應(yīng)釋放殘余應(yīng)力的過(guò)程稱為自然時(shí)效。該方法利用了原子學(xué)理論，即當(dāng)溫度處于絕對(duì)零度之上時(shí)，金屬原子始終保持振動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)連續(xù)的溫度變化使工件承受反復(fù)的溫度壓力，使工件中的晶格發(fā)生滑動(dòng)，從而達(dá)到消除殘余應(yīng)力的效果[59]。升溫效率、放置時(shí)長(zhǎng)和環(huán)境溫度等影響著自然時(shí)效的效果。自然時(shí)效消除的殘余應(yīng)力不大，但提高了工件的松弛剛度，增加了工件的尺寸穩(wěn)定性，但存在耗時(shí)長(zhǎng)、占用場(chǎng)地大以及不易調(diào)控等缺點(diǎn)，在高精度工件生產(chǎn)中逐漸被新型調(diào)控方法所取代。

熱處理時(shí)效法又稱去應(yīng)力退火法，按照一定的升溫速度加熱工件到退火溫度，利用高溫下殘余應(yīng)力超過(guò)材料本身的屈服應(yīng)力以及蠕變引起的應(yīng)力松弛來(lái)調(diào)控殘余應(yīng)力。該方法是焊接件應(yīng)力調(diào)控的主要方法之一，溫度控制和工藝措施影響焊縫熱處理的應(yīng)力去除效果。因此工程應(yīng)用中要做出相應(yīng)的條件控制，確保足夠的加熱寬度和保溫寬度，防止產(chǎn)生次生殘余應(yīng)力，避免表面和內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度差，否則過(guò)剩的溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)?？梢赃m當(dāng)延長(zhǎng)退火及保溫時(shí)間，保證應(yīng)力松弛均勻進(jìn)行。去應(yīng)力退火存在能耗高、成本高和不環(huán)保的缺點(diǎn)，且不適用于大型和加熱易受損工件[60]。

振動(dòng)時(shí)效調(diào)控應(yīng)力的機(jī)理沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)、科學(xué)的理論體系，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，該方法調(diào)控應(yīng)力的原理可以從宏觀和微觀角度解釋。宏觀上是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力與工件內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力的疊加超過(guò)材料的屈服極限，發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力集中部位發(fā)生塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放并起到強(qiáng)化作用。微觀上是外加載荷產(chǎn)生的剪切動(dòng)應(yīng)力與工件內(nèi)剪切殘余應(yīng)力之和大于材料的剪切屈服強(qiáng)度，位錯(cuò)增殖、塞積和纏結(jié)的產(chǎn)生，使得晶體產(chǎn)生微觀塑性，高的殘余應(yīng)力得到釋放[61]。

6 表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的調(diào)控

針對(duì)不同材料的物理性能和使用場(chǎng)合選擇合適的表面強(qiáng)化處理技術(shù)，調(diào)控工件內(nèi)的應(yīng)力分布，可以大大提高工件的使用壽命和表面質(zhì)量。闡述機(jī)械、能量輸入及相關(guān)復(fù)合技術(shù)的相關(guān)原理和應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展。

6.1 機(jī)械作用下的強(qiáng)化處理技術(shù)

機(jī)械作用下的表面強(qiáng)化處理技術(shù)以外力場(chǎng)作用于工件表面，引入殘余壓應(yīng)力來(lái)提高工件的表面質(zhì)量。強(qiáng)化原理大致分為壓入式、研磨式和碾壓式三大類，機(jī)械強(qiáng)化調(diào)控應(yīng)力操作簡(jiǎn)單、成效高以及結(jié)構(gòu)層內(nèi)位錯(cuò)密度高，對(duì)提高工件的疲勞強(qiáng)度有顯著效果。

孔擠壓強(qiáng)化主要用于強(qiáng)化帶孔工件，采用直徑大于孔直徑的擠壓芯棒，經(jīng)充分潤(rùn)滑后從孔中強(qiáng)行通過(guò)，使孔壁表層發(fā)生彈塑性變形，在工件孔內(nèi)壁表層形成殘余壓應(yīng)力，可以抵消工件承受的部分拉壓交變載荷，從而降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，延長(zhǎng)試樣的疲勞壽命[62]。孔擠壓強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的研究中，應(yīng)用有限元法分析是常見(jiàn)的方法，王彥菊等[63]建立了孔擠壓Ti2AiNb合金的三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)孔擠壓在金屬板孔周圍產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力層，擠入端附近的壓應(yīng)力小于擠出端。Houghton等[64]建立了剛性芯棒接觸擠壓的三維模型表明：板厚、芯棒接觸和芯棒運(yùn)動(dòng)方向?qū)堄鄳?yīng)力有顯著影響，芯棒與工件表面接觸的摩擦僅影響入口時(shí)的應(yīng)力。因此，建立孔擠壓的接觸模型時(shí)，獲取擠壓過(guò)程中的摩擦因數(shù)變化，才能獲取真實(shí)的孔擠壓殘余應(yīng)力場(chǎng)。

超聲振動(dòng)輔助磨削是集磨削與超聲加工于一體的高性能加工技術(shù)，超聲振動(dòng)作用改變了刀具與工件的接觸狀態(tài)，降低了磨削從而抑制殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，振動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力在工件接觸區(qū)引入殘余壓應(yīng)力，提高抗疲勞性和硬度等性能。栗育琴等[65]對(duì)CGr15軸承鋼進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)，并與普通磨削進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2種磨削試樣表面均形成了殘余壓應(yīng)力，但超聲振動(dòng)輔助磨削產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較大。原因是：普通磨削延性域較小，隨著磨削深度的增加將以脆性方式去除材料，而超聲振動(dòng)輔助磨削拓寬了材料磨削的延性域，在較大磨削深度時(shí)仍以塑性方式去除，從而保持較大的表面壓應(yīng)力[66]。

超聲滾壓表面強(qiáng)化工藝使工件表面光整和強(qiáng)化共同提高，滾壓頭滾壓引發(fā)材料表面的塑性流動(dòng)，壓平工件表層的微觀波峰，達(dá)到“削峰填谷”的效果，降低工件表面粗糙度。超聲和靜壓力作用下工件表層發(fā)生彈塑性變形，表層組織中的晶格變形，晶界發(fā)生滑移和錯(cuò)位，材料表層組織得到細(xì)化，表面顯微硬度和殘余壓應(yīng)力得到提高。超聲滾壓殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理[67]如圖6所示。超聲滾壓可以提高工件的承載能力、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度等性能，同時(shí)超聲滾壓具有無(wú)切屑、無(wú)污染、成本低、效率高及兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[68]。Teimouri[69]提出了超聲滾壓模型同粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，建立了在特定的應(yīng)力深度下預(yù)測(cè)最大殘余壓應(yīng)力值的模型，殘余壓應(yīng)力大小和深度預(yù)測(cè)誤差均小于15%，提高了殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)精度。jiao等[70]基于彈塑性理論建立了超聲滾壓表面殘余應(yīng)力理論模型，研究了工件表面殘余應(yīng)力的特性。目前為止關(guān)于殘余應(yīng)力的研究都是基于對(duì)平面或單曲面的超聲滾壓，對(duì)復(fù)雜曲面的超聲滾壓研究未曾見(jiàn)過(guò)。

噴丸強(qiáng)化是工件表面受到大量循環(huán)的高速?gòu)椡铔_擊，使工件表面發(fā)生循環(huán)塑性變形，表層晶粒得到細(xì)化，位錯(cuò)密度增大，晶格畸變?cè)龃?，引入壓?yīng)力，形成應(yīng)變強(qiáng)化層和殘余壓應(yīng)力層[71]，可顯著提高材料的抗疲勞性能、抗高溫氧化性能和抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。噴丸強(qiáng)化是一種應(yīng)用較為普遍的低成本強(qiáng)化技術(shù)，材料表面引入的殘余壓應(yīng)力增強(qiáng)材料抗疲勞性能的作用已經(jīng)獲得認(rèn)可，但噴丸使工件表面粗糙度增大，導(dǎo)致磨損加劇，需要后續(xù)光整加工來(lái)保證表面質(zhì)量。研究參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律及提高工件疲勞壽命的研究是噴丸強(qiáng)化應(yīng)用的前提。董云慶[72]采用有限元法模擬噴丸速度、彈丸大小和彈丸的入射角度3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)其他變量為定值，噴丸速度越大表面殘余應(yīng)力層越深，當(dāng)最大殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力層達(dá)到飽和后，表面殘余壓應(yīng)力開始不斷減小，同時(shí)彈丸大小也符合此規(guī)律。Soyama等[73]研究空化噴丸和普通噴丸引入的殘余壓應(yīng)力對(duì)提高不銹鋼疲勞強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明：空化噴丸和普通噴丸均提高了工件的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，引入的壓應(yīng)力逐漸降低，但空化噴丸比普通噴丸引入的壓應(yīng)力減小幅度低。

圖6 超聲滾壓殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理圖[67]

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在金屬表層形成數(shù)吉帕（GPa）的高壓沖擊波，使材料表面產(chǎn)生超高應(yīng)變率的塑性變形，并在表層產(chǎn)生位錯(cuò)滑移和晶粒細(xì)化[74]，其本質(zhì)是高強(qiáng)度的激光束誘導(dǎo)等離子體沖擊波作用于金屬材料表面的一種強(qiáng)化工藝[75]，工作原理如圖7所示。相比于冷擠壓、噴丸和滾壓，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以產(chǎn)生更深的殘余應(yīng)力層，更加有利于抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，同時(shí)將有效減小表面的載荷作用，具有強(qiáng)化效果好、可操作性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣和適用性好的優(yōu)勢(shì)。Tong等[76]分析了雙面激光沖擊薄板工件的殘余應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)被激光沖擊的區(qū)域全部分布著殘余壓應(yīng)力，但激光沖擊區(qū)域邊緣伴隨分布著殘余拉應(yīng)力。焦清洋等[77]對(duì)TA15鈦合金進(jìn)行激光沖擊來(lái)研究殘余應(yīng)力和力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)：在400 ℃下，引入的殘余壓應(yīng)力才具有很高的熱穩(wěn)定性。激光沖擊引入殘余應(yīng)力時(shí)，要綜合考慮到?jīng)_擊邊緣拉應(yīng)力的存在，以及避免殘余壓應(yīng)力在高溫下的應(yīng)力松弛。

圖7 激光沖擊原理圖[75]

工件內(nèi)部晶粒間的應(yīng)力，對(duì)晶界處的原子擴(kuò)散產(chǎn)生一定程度的影響，擠壓、噴丸、超聲滾壓和激光沖擊等外力場(chǎng)作用于工件表面，產(chǎn)生表面納米層，高密度晶界和位錯(cuò)等增加了原子的擴(kuò)散通道，而工件內(nèi)部的應(yīng)力梯度層為原子的擴(kuò)散提供驅(qū)動(dòng)力，往往體積較小的原子會(huì)向壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，而較大的原子會(huì)向拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散[78]。Wang等[79]將表面納米化技術(shù)與離子滲氮工藝相結(jié)合應(yīng)用到軸承鋼表面，結(jié)果表明：金屬材料表面納米化后，高體積分?jǐn)?shù)的晶界為原子擴(kuò)散提供了理想的通道，大幅度降低了滲氮和滲金屬元素的處理溫度及時(shí)間。Tong等[80]對(duì)表面納米化預(yù)處理后的38CrMoAl鋼進(jìn)行低溫滲氮處理，發(fā)現(xiàn)表面納米化能明顯提高氮化速度，促進(jìn)超細(xì)多晶化合物層的形成，有效提高表面氮化層的硬度和耐磨性。表面存在納米層結(jié)構(gòu)的材料，通常穩(wěn)定性、反應(yīng)性和功能性由原子沿晶界快速短路擴(kuò)散決定，而殘余應(yīng)力對(duì)納米層結(jié)構(gòu)原子擴(kuò)散具有重要影響。Druzhinin等[81]研究了W納米層中殘余應(yīng)力對(duì)Cu沿W晶界擴(kuò)散過(guò)程的影響，結(jié)果表明：無(wú)應(yīng)力的W納米層中Cu沿W晶界擴(kuò)散的活化能遠(yuǎn)低于W納米層存在高壓應(yīng)力的活化能，證明了晶界層的內(nèi)應(yīng)力對(duì)原子沿晶界擴(kuò)散過(guò)程有顯著影響，但對(duì)內(nèi)應(yīng)力影響原子擴(kuò)散的機(jī)制沒(méi)有明確的理論研究。

6.2 能量外部輸入下的表面強(qiáng)化處理技術(shù)

從微觀角度分析，工件內(nèi)部晶粒之間的位錯(cuò)和位錯(cuò)面排列不均衡造成殘余應(yīng)力。能量外部輸入消減殘余應(yīng)力的機(jī)理是：當(dāng)輸入晶粒之間的能量超過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的能量時(shí)，晶粒位錯(cuò)部分沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而塑性變形釋放一定的能量，達(dá)到消減殘余拉應(yīng)力的目的。高能聲束調(diào)控應(yīng)力是利用大功率聲學(xué)對(duì)材料的軟化效應(yīng)，降低材料的屈服強(qiáng)度，消減材料的部分殘余拉應(yīng)力，是一種新型的應(yīng)力消除技術(shù)。任延飛[82]在高能聲束調(diào)控殘余應(yīng)力的技術(shù)研究中，得出高能聲束調(diào)控殘余應(yīng)力的原理是：晶體內(nèi)部的原子動(dòng)能增加，晶體體積發(fā)生變化，晶體獲得勢(shì)能。從位錯(cuò)角度解釋：高能聲束作用于金屬表面，提供給材料晶體的外界能量要大于發(fā)生位錯(cuò)的總位錯(cuò)能，材料晶體內(nèi)的位錯(cuò)恢復(fù)，從而釋放掉材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。該技術(shù)在消除殘余應(yīng)力過(guò)程中不影響材料的力學(xué)性能，能夠針對(duì)大型構(gòu)件的局部殘余應(yīng)力進(jìn)行原位調(diào)控。

王思淇等[83]揭示了高能量密度脈沖電流的作用機(jī)理：脈沖電流產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力和電子風(fēng)力共同作用下，引入的能量超過(guò)了材料內(nèi)部晶粒之間位錯(cuò)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)的閾值，致使材料內(nèi)部的位移密度減小，達(dá)到消減殘余拉應(yīng)力的目的。Meisner等[84]發(fā)現(xiàn)高密度脈沖電流能夠細(xì)化TiNi合金表層微觀結(jié)構(gòu)，使殘余拉應(yīng)力釋放。王景鵬等[85]和鄭建毅等[86]多位學(xué)者采用衰減振蕩脈沖電流引入淬火件，分別對(duì)40Gr鋼淬火件和45鋼淬火件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電脈沖時(shí)效能夠有效降低40Gr鋼淬火件和45鋼淬火件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力。Stepanov等[87]發(fā)現(xiàn)脈沖電流可以降低Kh18N10T鋼帶磨削引起的殘余拉應(yīng)力，印證了金屬材料在脈沖電流或電場(chǎng)作用下，能夠?qū)㈦娔茌斎氲讲牧蟽?nèi)部的晶粒中，激發(fā)晶粒運(yùn)動(dòng)，提供位錯(cuò)滑移的能量，消減材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力[88]。高歡等[89]研究了一種基于低能量輸入的激光輻照消減構(gòu)件表面殘余應(yīng)力的方法，采用激光輻照材料的殘余應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)激光熱作用使得材料內(nèi)部殘余彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為塑性功，殘余拉應(yīng)力得到釋放，驗(yàn)證了激光應(yīng)力調(diào)控技術(shù)的可行性。

能量輸入從微觀角度進(jìn)行應(yīng)力的消除，通過(guò)某項(xiàng)技術(shù)將能量直接作用于晶粒，增加晶體原子的動(dòng)能和勢(shì)能，材料內(nèi)部的粒子發(fā)生極化運(yùn)動(dòng)，打破原有粒子不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，從而釋放一部分殘余應(yīng)力，消減的是對(duì)工件相關(guān)性能不利的拉應(yīng)力。而機(jī)械強(qiáng)化屬于宏觀上的調(diào)控，外力場(chǎng)作用下，工件表面產(chǎn)生一定的彈塑性變形，晶粒發(fā)生細(xì)化，發(fā)生位錯(cuò)、纏結(jié)等現(xiàn)象，工件表層引入殘余壓應(yīng)力。能量輸入是以降低殘余拉應(yīng)力為主要目的，而機(jī)械強(qiáng)化將壓應(yīng)力引入，雖然強(qiáng)化機(jī)理不同，但從本質(zhì)上都是改善應(yīng)力分布，提高工件材料的力學(xué)性能。

6.3 復(fù)合表面強(qiáng)化處理技術(shù)

針對(duì)特殊工況下金屬構(gòu)件，由于經(jīng)常出現(xiàn)疲勞損壞需要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，采用單一的表面強(qiáng)化處理工藝往往會(huì)存在或大或小的不足，無(wú)法滿足實(shí)際的工況需求。鋁合金材料采用激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖擊邊緣產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，不能有效強(qiáng)化，而超聲擠壓強(qiáng)化時(shí)強(qiáng)化效果不足。張杰[90]針對(duì)2種單一表面強(qiáng)化處理的不足，提出了超聲擠壓輔助激光沖擊復(fù)合強(qiáng)化工藝，與單一強(qiáng)化工藝對(duì)比發(fā)現(xiàn)超聲擠壓輔助激光沖擊復(fù)合強(qiáng)化消除了激光沖擊造成的邊緣區(qū)域拉應(yīng)力，試樣表面均表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，相比單一激光沖擊，應(yīng)力值提升了近71%，作用層深度約為2.2 mm，達(dá)到了激光沖擊強(qiáng)化試樣的2倍。

魯金忠等[91]研究了激光沖擊-超聲滾壓復(fù)合工藝，此復(fù)合強(qiáng)化工藝突破了激光沖擊強(qiáng)化后塑性變形層的飽和狀態(tài)，引入滾壓力在沖擊后的材料表層擠壓，再次發(fā)生塑性變形獲得更大的殘余壓應(yīng)力，經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝處理后，鎂合金表面引入的殘余壓應(yīng)力最大值與單一激光沖擊強(qiáng)化試樣相比，提高了61.5%。該復(fù)合工藝的優(yōu)點(diǎn)是在提升材料強(qiáng)度的同時(shí)，有效改善了激光沖擊后材料的塑性，靠近表面的殘余壓應(yīng)力更大，降低了微裂紋的擴(kuò)展速率。

激光沖擊-噴丸復(fù)合工藝在工件表面進(jìn)行雙重物理沖擊，從而引入更大的殘余壓應(yīng)力。曹子文等[92]分析了2種表面強(qiáng)化處理技術(shù)的強(qiáng)化層特征：激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力層比較深，但是冷硬化比較低；噴丸強(qiáng)化工藝的應(yīng)力層淺，冷作硬化程度高。對(duì)TC17鈦合金進(jìn)行激光沖擊-噴丸后，發(fā)現(xiàn)復(fù)合工藝彌補(bǔ)了單一強(qiáng)化的不足，也降低了激光沖擊造成的區(qū)域邊緣殘余拉應(yīng)力。

為解決某直升機(jī)主撐桿頻繁疲勞斷裂的問(wèn)題，鄭雷等[93]提出了采用激光強(qiáng)化與超硬磨料數(shù)控磨拋復(fù)合加工的新工藝。該復(fù)合強(qiáng)化工藝通過(guò)深層強(qiáng)化引入殘余壓應(yīng)力，可以提高疲勞極限20%，結(jié)合數(shù)控磨拋提高了構(gòu)件的加工質(zhì)量和疲勞性能。日本學(xué)者熊谷正夫等[94]通過(guò)采用粒子注入和硬質(zhì)覆膜結(jié)合的加工技術(shù)，在微粒子沖擊下硬質(zhì)覆膜緊密貼合工件表面，微粒子噴射處理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件表面形狀成形，可大幅度提高硬質(zhì)覆膜的密合性。降低了工件從磨耗向疲勞斷裂的轉(zhuǎn)變概率，使其耐磨性和疲勞強(qiáng)度得到同時(shí)提高。

超聲滾壓可以強(qiáng)化材料表層，提高材料的性能，但誘導(dǎo)的硬化層會(huì)形成硬殼，限制更深層材料的進(jìn)一步強(qiáng)化，鈦合金Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe的超聲滾壓強(qiáng)化了其表面層性能，但材料性能沒(méi)有得到較大程度的改善，Qu等[95]復(fù)合電子脈沖技術(shù)，工件接入高頻脈沖電流后進(jìn)行超聲滾壓，電脈沖的引入增加了塑性變形層的厚度，壓應(yīng)力層深增加，晶粒尺寸更加細(xì)小，納米晶表面層形成更加曲折的晶界阻止裂紋的擴(kuò)展，抗疲勞性能也得到改善。

7 總結(jié)和展望

綜上所述，熟悉不同工藝下殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制及殘余應(yīng)力對(duì)材料的影響，有助于避免因殘余應(yīng)力造成的疲勞機(jī)械損傷。根據(jù)工件的材料特性和工況環(huán)境選擇合適的檢測(cè)手段。優(yōu)化機(jī)械加工的工藝參數(shù)是從源頭調(diào)控應(yīng)力的方法，是一種極具節(jié)約成本且有效的方法。時(shí)效處理和表面強(qiáng)化技術(shù)調(diào)控殘余應(yīng)力，以獲取最優(yōu)的金屬表面完整性，進(jìn)而提高工件的疲勞壽命是目前研究的重要熱點(diǎn)之一。有限元軟件的應(yīng)用為殘余應(yīng)力機(jī)理分析、應(yīng)力預(yù)測(cè)、應(yīng)力分布和應(yīng)力調(diào)控等方面提供仿真分析，節(jié)約了頻繁試驗(yàn)造成的資源浪費(fèi)。各種新型表面應(yīng)力調(diào)控技術(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響的研究，催生多種復(fù)合表面強(qiáng)化處理技術(shù)以改善單一強(qiáng)化處理技術(shù)的缺陷，但調(diào)控殘余應(yīng)力仍存在許多亟待解決的問(wèn)題。

1）對(duì)工件進(jìn)行車、銑和磨等大量去除金屬材料的加工手段，是工件成形的主流，優(yōu)化傳統(tǒng)加工工藝參數(shù)來(lái)降低殘余應(yīng)力對(duì)工件的影響，提高工件的抗疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但要綜合考量對(duì)工件的性能要求和加工效率，獲得高質(zhì)量、高效率的工藝參數(shù)。

2）工件表面產(chǎn)生劇烈沖擊引入殘余壓應(yīng)力，提高工件的表面性能是應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)化處理技術(shù)，大部分研究?jī)?yōu)化工藝參數(shù)提高工件表面完整性，僅控制單一影響因素來(lái)研究對(duì)工件的影響，且表面強(qiáng)化處理技術(shù)大量局限于強(qiáng)化處理平面或單曲面工件。因此，研究2種及以上工藝參數(shù)共同影響下的殘余應(yīng)力的情況是一個(gè)重要的研究方向，同時(shí)表面強(qiáng)化處理技術(shù)向處理復(fù)雜曲面是未來(lái)的發(fā)展方向。

3）單一的強(qiáng)化工藝難以同時(shí)使表面粗糙度、表面硬度和殘余應(yīng)力等達(dá)到工件所需的最佳狀態(tài)，也難以同時(shí)兼顧工件形位精度的要求。因此復(fù)合表面強(qiáng)化工藝是未來(lái)表面完整性加工的發(fā)展方向，也是應(yīng)力調(diào)控技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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Research Progress of Influencing Factors and Control Technologies on Surface Residual Stress

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. School of Mechanical & Automotive Engineering, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan 250300, China; 2. Shandong Institute of Mechanical Design and Research, Jinan 250300, China)

The residual stress influences the fatigue life and corrosion resistance of the workpiece to a certain extent, which is often ignored because of its poor intuition and difficult to detect. It has high research value in engineering application to regulate the distribution of residual stress in the workpiece. Reasonable regulation of stress can effectively resist the crack initiation on the workpiece surface and improve the overall integrity of the workpiece surface.

The concept and classification of residual stress are described in detail. The residual stresses are classified from macroscopic and microscopic perspectives and their basic causes are described. The generation mechanism of residual stress in traditional machining process is summarized from the perspectives of milling, grinding and welding respectively.The influence of residual tensile stress and compressive stress on the material properties of the workpiece is mainly introduced through the position of residual tensile stress in the process of machining.Only by knowing the influence of residual stress on workpiece performance can the negative influence of residual tensile stress be reduced or residual compressive stress be rationally utilized.The principles of nondestructive testing (X-ray, magnetic, ultrasonic, curvature, Raman spectroscopy) and damage testing (mechanical, moire interference) are summarized, and the advantages and disadvantages of the testing methods are summarized. Based on the applicability of the detection method, the accurate stress value can be obtained by selecting the appropriate method.With the development of computer technology, a lot of research on the finite element model of residual stress has been carried out at home and abroad, which can save the cost and provide reference for the experiment. However, there is a lack of comprehensive consideration of various influencing factors.The influence of process parameters on the surface residual stress of workpiece under various processing methods was emphatically reviewed. Because regulating residual stress via optimizing process parameters cannot meet the overall performance requirements of the workpiece. The mechanism and application occasions of regulating residual stress by natural aging method, heat treatment aging method and vibration aging method are summarized. The surface strengthening technology which can control stress are reviewed, include under mechanical action ultrasonic vibration grinding, shot peening, ultrasonic rolling, laser shock; Under external energy input high-energy sound beam control technology, high-energy density pulse current and laser irradiation stress control technology. Energy input is used to eliminate tensile stress from the microscopic point of view. Through a certain technology, energy is input to the grain to increase the kinetic energy and potential energy of crystal atoms and break the unstable high-energy state of the original particles, thus releasing part of the residual stress. Mechanical strengthening belongs to macro control. Under the action of external force field, the workpiece surface produces certain elastic-plastic deformation, and the residual compressive stress is introduced into the surface of the workpiece. In addition, in view of the deficiency of single surface strengthening technology in residual stress control, the composite surface strengthening technologies such as ultrasonic extrusion-laser stamping, laser shock-ultrasonic rolling and laser shock -shot peening are summarized.

Although attention has been paid to the important role of residual stress in machine parts manufacturing, engineers and technicians do not have a deep understanding of it.In the future, combined with process parameter optimization and stress control technology, the workpiece performance can be greatly improved.At the same time, the surface strengthening technology will develop towards the processing of complex surface and composite surface strengthening technology.

residual stress; stress testing; fatigue life; parameter optimization; surface strengthening treatment

TG668

A

1001-3660(2022)11-0138-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.012

2021–06–18；

2021–12–13

2021-06-18；

2021-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（52075274、51475143）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）（2020CXGC011003）

National Natural Science Foundation of China (52075274, 51475143); Key Research and Development Program of Shandong Province (Major Science and Technology Innovation Project) (2020CXGC011003)

程勇杰（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Σ僚c潤(rùn)滑、表面技術(shù)。

CHENG Yong-jie (1998-), Male, Postgraduate, Research focus: friction and lubrication, surface technology.

王燕霜（1972—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)槟Σ僚c潤(rùn)滑、表面技術(shù)。

WANG Yan-shuang (1972-), Female, Doctor, Professor, Research focus: friction and lubrication, surface technology.

程勇杰, 王燕霜, 林江海, 等. 表面殘余應(yīng)力影響因素和調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 138-152.

CHENG Yong-jie, WANG Yan-shuang, LIN Jiang-hai, et al. Research Progress of Influencing Factors and Control Technologies on Surface Residual Stress[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 138-152.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清