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5.4 残余应力
残余应力的概念 变形条件对残余应力的影响 残余应力引起的后果 减小残余应力影响的措施 残余应力的测定方法
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Lesson Ten
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Lesson Ten
Lesson Ten
Lesson Ten
残余应力是由附加应力变化而来，所以残余 应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应， 残余应力也分为第一种、第二种和第三种残 余应力。
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用化学侵蚀法及机械方法实验冷轧黄 铜残余应力的比较曲线
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Lesson Ten
另一种化学方法是，将试样吊浸在适当的溶 液里，隔一定时间来称其重量。这样就可以 得到一个重量减小量与经过时间的关系曲线。 与标准曲线相比较，以判定残余应力的大小。 所得到的曲线的位置比标准曲线越高，则表 示物体内的残余应力越大
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对加工件进行热处理
物体内存在的残余应力可用退火、回火等方式来减小 或消除。
第一种残余应力可在回火中大大减小。在许多情况下， 残余应力只存在再结晶时才能完全消除。因之，为完 全消除残余应力，需要较高的温度，有时也需要较长 的退火时间。这样就有可能引起晶粒大小产生很大的 变化和力学性能的改变。
表面变形程度越大、残余应力减少得越多。但此变形 程度不应超过某一限度，一般是在1.5~3％以下。若 超过此限度，会造成有害的后果，因为这样不但不会 减小残余应力，反而会使残余应力增加。
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残余应力，×10MPa 压拉
40 30 20 10 0 10 20 30 40 40 30 20 10 0 10 20 30 40 40 30 20 10 0 10 20 30 40
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用称重法测定残余应力的 试验曲线
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化学方法对于测定金属丝，薄条等类型的工 件内的残余应力是十分合适的。同时定性地 来比较在不同的压力加工制度和热处理制度 中所出现的残余应力的大小也是很有用的。
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侵蚀试样所用的溶液，对于含锡青铜可用水 银及含水银的盐类，对于钢可用弱碱及硝酸 盐类。
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在判断应力的形式时，若出现横向裂纹，则 可认为是纵向应力作用的结果，若出现纵向 裂纹，可认为是横向应力作用的结果。在实 际中准确地确定裂纹出现的时间比较困难， 不过与其它机械法相比较，还是可以定性地 看出破裂时间与残余应力的关系。
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变形条件对残余应力的影响
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残余应力与附加应力一样也同样受到变 形条件的影响。其中主要是变形温度、 变形速度、变形程度、接触摩擦、工具 和变形物体形状等等。
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变形温度
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在确定变形温度的影响时应注意到在变形过程中是否有相 变存在。若在变形过程中出现双相系时，将会引起第二种 附加应力的产生，从而使残余应力增大。
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Lesson Ten
根据公式
1 r
和 2 r
绘制这些数值与钻孔剖面积F的关系曲线。并
用作图法求出此曲线上任一点的导数
d 1 dF
和
d 2 dF
。
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变形与钻孔横断面积关系
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X射线法
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在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。
在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定 性地确定残余应力。当无残余应力存在时， 各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各 干扰斑点伸长，呈“星芒”状。
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铝晶体的劳埃图
（a）铝晶体未变形的劳埃图；（b）铝晶体塑性变形后的劳埃图
600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（a）
600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（b）
600 200 0 200 600
铜棒剖面，mm2
（c）
黄铜捧在辗平前后的残余应力分布图
a－纵向应力；b－切向应力；c－径向应力
(实线为拉制铜捧的残余应力；虚线表示铜棒在碾平后的残余应力)
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Lesson Ten
若加工件是不对称的，则物体除尺寸变化外， 还可能发生形状的改变。
引起残余应力的消失或减小的原因，除机械 加工外还有时间的延长等因素。有时，具有 残余应力的物体在热处理过程中，或受到冲 击后也会发生尺寸和形状的变化。
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＋ － ＋
工件的变形
a
b面辗压后，其残 余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大，残 余应力减小得越多。
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实验证明，拉制黄铜棒经辗压后，其内部的残余应力 发生如图所示的变化。可见，表面变形可使原来的残 余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应 力。
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减小残余应力影响的措施
Lesson Ten
残余应力是由附加应力的变化而来，其根本 原因就是物体产生了不均匀变形，使在物体 内出现了相互平衡的内力。因此，残余应力 不仅产生在塑性加工过程中，而且也产生在 不均匀加热、冷却、淬火和相变等过程中。
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减小或消除残余应力的方法
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降低了金属的塑性加工性能 当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，
由于残余应力的存在可加强物体内的应力和 变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高， 塑性降低。
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降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 等。
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这种方法仅使工件产生表面变形，所以在变 形中，于工件表面层中产生附加压应力，在 工件中层产生附加拉应力。可见，此方法只 能减小第一种残余应力，且只当工件表面层 中具有残余拉应力时才能适用。
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拉应力 压应力
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校平棍
但在一般情况下，当变形温度升高时，附加应力以及所形 成的残余应力减小。温度降低时，出现附加应力和从而出 现残余应力的可能增大。因此，即使是对单相系金属也不 允许将变形温度降低到某一定值以下。
在变形过程中温度的不均匀分布是产生极大附加应力的一 个原因，自然也是产生极大残余应力的一个原因。如果变 形过程在高于室温条件下完成时，具有某一数值的残余应 力时，则此残余应力会因物体冷却到室温而增加。
板材裁剪后的变形
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使零件的使用寿命缩短
因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有 残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部 分的工作应力为外力所引起的应力与此残余 应力之和，有的部分为其差，这样就会造成 应力在物体内的分布不均。此时工作应力达 到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变 形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生 断裂，从而缩短了零件的使用寿命。
纵向应力
p
E'(F0 F)ddF s1
1
切向应力
t E'(F 0F)d d F 2F 0 2 FF2
径向应力 t E' F02FF2
式中 E' E
1 r2
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化学法
Lesson Ten
化学法是定性研究残余应力的一种方法。此 方法是将试样浸入到适当的溶液中，测量出 自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经 过的时间来判断残余应力的大小。
化学法基本是定性的测定，定量性差，也需 要专门的试样。
X射线法是一种“非破坏性”的测定方法，它 能够定量的测出物体内的残余应力。但此方 法仅适用于能够给出较清晰敏锐的衍射线条 的某些材料，并由于X射线的透射能力较小， 只能探明物体接近表面部分的情况。
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第二种残余应力在温度低于再结晶温度时的加热过程 中几乎完全消除。
第三种残余应力只有在再结晶过程中点阵完全恢复时 才能消除。
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进行机械处理
机械处理方法是利用使物体表面产生很小的塑性变形 的方法来减小残余应力。这种处理方法主要有： （1）使零件彼此碰撞； （2）用木棒打击表面； （3）表面辊压和压平； （4）表面拉制； （5）在模子中作表面校形或精压。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十讲 Lesson Ten
残余应力
Lesson Ten
第五章 塑性变形的不均匀性
主要内容
Main Content
变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力
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变形程度对第二种和第三种残余应力的影响则是另一种情 况。这些残余应力的数值将随变形程度的增加而增大，而 且对于双相系和多相系，比对单相系提高得更强烈。
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残余应力能量
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