1.什么是殘余應力

    還記得小時候的黑白電視嗎？電視在開機時后蓋會發熱，等關機后的一段時間電視后蓋的部位會“嘭”的一聲響一下，有時候聲音還挺大，這個生活里常見的現象就與殘余應力有關。殘余應力（Residual Stress）是工件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內，則這種殘留的作用與影響就是殘余應力。從能量作功的角度來理解，外力使物體發生塑性變形時會導致物體內部發生變形，因而積累一部分能量；當外力消除后，內部應力分布不均勻的能量要進行釋放，如果物體的脆性低，則物體會緩慢變形，脆性高則形成裂紋。
 

    殘余應力在機械制造中非常常見，往往各個工藝都會產生殘余應力。不過，從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結成三類。

    第一類是不均勻的塑性變形，第二類是不均勻的溫度變化，第三類是不均勻的相變。開頭小編舉了電視機的例子，就是由于電視機后蓋冷卻不均勻導致內部產生了殘余熱應力，積累到一定程度后導致電視機機殼驟然收縮產生了嚇人的聲音。

    2.殘余應力的危害

    從殘余應力的分類可以看出，殘余應力會引起物體緩慢變形，導致物體尺寸的改變，導致機械加工工件尺寸不合格，儀器生產中導致整臺儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造工件出現裂紋甚至斷裂，同時對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性和使用壽命等也有著十分重要的影響。例如：鋼板在裁剪時邊上受力不均勻，因此隨著時間的推移四個角慢慢上翹；鑄件在冷卻的過程中，由于工藝的不合理導致冷卻不均勻而產生殘余熱應力導致鑄件斷裂；熱處理的淬火過程中，過冷奧氏體進行馬氏體轉變時容易導致材料斷裂。

鑄件冷卻時斷裂

    3.殘余應力的測量

    對于殘余應力的測量，從大類上可以分為機械法、化學法和X射線法三種。

    機械法中最為常見的是鉆孔法（也稱盲孔法），操作時從物體上截取一段長度為其直徑三倍的棒材（或管材），在其中心鉆一通孔，然后用膛桿或鉆頭從內部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除后測量試樣長度的延伸率和直徑的延伸率。繪制這些數值與鉆孔剖面積的關系曲線，用作圖法求出曲線上任意一點的導數，表征延伸率與鉆孔剖面的變化率，然后代入相應的應力公式即可得到殘余應力值。

    化學法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當的溶液中，測量出自開始侵蝕到發現裂紋的經過時間，按此經過的時間來判斷殘余應力的大小，所用的溶液，對于含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對于鋼可用弱堿及硝酸鹽類；另一種想法是將試樣吊浸在適當的溶液里，隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經過時間的關系曲線，與標準曲線相比較，以判定殘余應力的大小，所得到的曲線的位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘余應力越大。

    X射線法可利用X射線穿透金屬件，其中勞埃法是通過干擾斑點形狀的變化來定性地確定殘余應力。當無殘余應力存在時，各干擾斑點呈點狀分布。有殘余應力時，各干擾斑點伸長，呈“星芒”狀。德拜法可以定量地測出所存在的殘余應力，具體可以根據德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強度的變化來確定。

X射線法原理示意

    總結一下，機械法和化學法是有損測試方法，需要對待測物體局部取樣，而且測試后損壞不可逆；X射線法是一種無損測試方法，可保持物體的完整性。機械法能夠較為精確地確定殘余應力的大小和分布，一般適用于棒形或管形的物體；化學法適用于金屬絲、薄片類型的物體，但化學法只能進行定性判斷，很難做到定量描述；X射線法雖然是一種“非破壞性”的方法，但此方法僅適用于能夠給出較清晰敏銳的衍射線條的某些材料，并由于X射線的投射能力較小，只能探明物體接近表面部分的情況。

    4.殘余應力的消除

    既然殘余應力危害這么多，那么行之有效的消除方法就顯得十分必要了。消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動時效和機械處理四種方法。

熱處理之退火處理

    熱處理就是利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力，一般采用退火、回火等方式進行處理。靜載荷加壓，就是使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形來調整工件的殘余應力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。振動時效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡稱VSR。振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘余內應力的方法，是通過振動，使工件內部殘余的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以松弛和減輕。機械處理，就是利用物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力，包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘余應力。

    5.航空零部件設計中的應用

    航空制造業在材料、結構和工藝等方面具有鮮明的行業特征。

    首先，框架類整體結構件因其良好的力學性能而成為航空領域重要的承力構件，如飛機的大梁、隔框、壁板和翼肋等。這類構建通常是由預拉伸厚板或整體模鍛件經機加工而成，加工量很大，加工精度要求高，加工變形控制難度大，因而在這些環節下殘余應力的影響更顯著和重要，需要予以格外的關注。

    其次，航空零部件制造中廣泛使用7075、7050、2024和6061等變形鋁合金，這類鋁合金結構件毛坯在成型與熱處理過程中常常產生很大的殘余應力，容易導致很大的加工變形，另外會導致應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking）的敏感性增加，容易造成早期疲勞失效；由于材料的特殊性因素，也使得殘余應力成為航空零部件制造中非常關鍵的一環。

    再者，飛機在起降和飛行的過程中，面臨著復雜的流場環境和多變的氣動載荷，航空發動機也同時處于熱力耦合的復雜環境中；可以說，飛機的結構零部件均需要在復雜甚至惡劣的環境下工作。前面講到的不均勻外力和熱力環境，都是殘余應力產生的關鍵誘導因素，這對于航空零部件提出了很高的要求。

航空發動機渦輪處于典型的熱力耦合環境中

    講了這么多，可以看出殘余應力害處很多，但俗話說，each coin has two sides，它真的就那么十惡不赦么？咳咳，其實適當的、分布合理的殘余壓應力能夠提高工件疲勞強度和抗應力腐蝕能力，從而延長其使用壽命。比如噴丸強化，將高速彈丸流噴射到工件表面，使工件表層發生塑性變形，從而形成一定厚度的強化層，強化層內形成較高的殘余應力，表面壓應力的存在可以抵消一部分承受的外來拉應力，從而提高工件的疲勞強度。