特种加工
残余应力测量方法与 消除技术
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• 残余应力的危害
主要内容
• 残余应力测量方法 • 残余应力消除技术
残余应力的产生及原因
残余应力是如何产生的呢？ 机械零部件在铸造、热处理、焊接、 压力加工、切削加工等制造过程中， 由于受热不均、机械载荷等因素产 生内部应力，而当这些因素消失后 仍然有部分应力残留，就成为残余 应力。 残余应力产生的原因:
钻孔法示意图
典型的钻孔云纹图 条纹分布
环芯法与深孔法
环芯法：其原理与钻 孔法相似。 深孔法：原理是首先在 零件上钻一个小孔，精 确测量出小孔的直径， 然后在零件上钻一个与 小孔同心的环，其周围 因为应力释放而使小孔 的直径发生变化，经计 算得到钻孔处原有的应 力。
环芯法示意图
深孔法示意图
剥层法
剥层法常用于测定几何形状简 单（平板、圆柱）的试件。 原理：当通过电化学方法从含 有残余应力的平板或圆柱上去 除一层材料时，其内部残余应 力将不再平衡，当它重新平衡 时将导致平板变形，平板弯曲 的曲率取决于被去除掉的那层 材料原来的残余应力分布和遗 留部分材料的弹性性能。
成分差异 不同材料成分 的比容不同 渗碳、氮 化、电镀、 材料制备等
产生的工 艺过程
切削、喷 丸、冲压、 锻造等
热处理、焊接、 热处理、焊接、 材料制备等 材料制备等
残余应力的危害
1）残余应力能影响零件的加工精度。一方面，后续工 序将引起前道工序的残余应力重新分布；另一方面，残 余应力随时间的推移缓慢松弛，均能导致零件变形和尺 寸不稳定。 2）残余应力能够影响零件的疲劳强度。表面压应力增 大疲劳强度；表面拉应力减小疲劳强度。 3）表面残余拉应力能加速应力腐蚀。
钻孔法
基本原理：在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使得孔的邻近 区域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，采用黏贴应变片 等方式测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔处深度方 向上的平均残余应力。
钻孔法的优点： 精度高、操作方便、 设备便宜。 缺点是: 需要在被测件表面 钻孔，使构件产生破坏; 钻孔过程中常会引起材料 的损伤和屈服，影响测量 效果。
磁性法都是利用磁致伸缩效应力测定应力的，当应力变化 时，由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化，并使感应器 线圈的感应电流发生变化，通 过 电 流 的 变 化 测 出 应 力 的 变化。
自然失效法
自然时效法是最古老的一种消除残余应力的方法。 方法：将工件放置在户外，经过长久的温度变化，工件经 受反复的温度压力，造成工件内金属晶格的滑移，从而达 到消除残余应力的效果。 自然失效法效率低、耗时长、对应力的消除效果较差，一 般只能消除掉10%左右的残余应力，目前已经被逐渐淘汰。 适合：热应力（铸造锻造过程中产生的残余应力）、冷应 力（机械加工过程中产生的残余应力）、焊接应力（焊接 过程中产生的应力）。
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残余应力测量技术
残余应力测量技术
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机械测量法
检测方法
机械测量法是对工件进行切割或分离，使 内部应力得到释放，测量工件的应变，从 而计算出残余应力。 机械检测法对工件本身会造成一定程度的 破坏。 常见的机械测量法包括钻孔法、环芯法、 深孔法、剥层法、切条法等。
无损测量法就是利用声、光、磁和电等特 性，在不损害或不影响被测量对象使用性 无损测量法 能的前提下，来测量残余应力的方法。 （物理测量法） 无损测量法主要包括磁测法、X 射线衍射 法、超声波法等。
无
无
热时效
10%~35%
不稳定
数十小时
能耗很大
有
振动时效
30%~60%
稳定
数十分钟
能耗小
无
谢谢
平板、圆柱试件的剥层法测量残余应力
Ｘ 射线法
原理：基于弹性力学及 X 射线晶体学的测试方法。其基本原理是 当金属存在残余应力时，不同晶粒的晶面间距随应力的大小发生 规律变化，通过这种变化测量出相应的应变。
其他物理测量方法
超声波法是一种基于声弹性理论的测试方法，其基本原理 是利 用 材 料 受 到 应 力 作 用 时 会 产 生 双 折 射现 象。
External force
Bend by the external force
Tensile
Compressive
Tensile
Stress remains in the bar 内部原因 金属相变 内部组织不均 匀
Remove the external force
产生 原因
产生机理
外部原因 不均匀塑性变形 各部分受力不均 温度梯度 膨胀、收缩不 均匀导致不均 匀的塑性变形
热处理法
热处理法消除残余应力的基本原理是把工件加热到略低于再 结晶开始温度，保温后缓慢冷却。在加热保温过程中由于温 度升高，金属原子运动能力上升，使工件中晶格缺陷减少， 导致晶格弹性畸变能量降低，从而使得工件残余应力减少。 热处理法消除残余应力相对于自然时效处理周期大大缩短， 但其消除应力的效果并不理想，只有 10%~35%，且该方法 能耗高、价格昂贵、污染严重，热处理后的材料机械性能大 大降低。 适合：热应力（铸造锻造过程中产生的残余应力）、冷应力 （机械加工过程中产生的残余应力）、焊接应力（焊接过程 中产生的应力）。
振动时效法
振动时效是一种采用机械振动消除残余应力的技术，其基 本原理是机械共振与试样材料残余应力叠加，当叠加的应 力值大于材料的屈服极限时，材料将会发生塑性变形，从 而降低工件的残余应力。
残余应力消除方法的比较
比较方法 去应力效果 尺寸稳定性 工艺周期 能源消耗 环境污染
自然时效
10%左右
稳定
数月至数年