金属构件中残余应力的产生和消除方法

黄宏俊

（郑州交通职业学院 车辆工程系，河南 郑州 450062）

残余应力是指金属构件（铸件、锻件、焊接件）在加工过程中由于受到不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在变形后的变形体内保留下来的应力。残余应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀和失稳破坏的主要原因，由于残余应力的松弛，还会使零件产生变形，大大影响工件的尺寸精度。因此控制和消除构件的残余应力十分必要。

1 残余应力产生的原因

（1）塑性变形引起的机械应力。在切削力作用下，已加工表面受到强烈的冷塑性变形，其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出，此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后，基体金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余压应力。

（2）切削温度引起的热应力。工件加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于表层变形受到基体金属的限制，故而产生残余拉应力。切削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明显。

（3）相变引起的体积应力。切削加工时，刀具与工件的摩擦会产生高温，当切削区域温度高于材料相变温度时金属表层组织可能发生相变。由于各种金相组织的不同，从而产生残余应力。例如：磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变为屈氏体或索氏体，因体积减小，表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面产生二次淬火现象则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。

实际上机械加工后表层上的残余应力是复杂的，是由上述三种原因综合作用的结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因起主导作用。

2 残余应力影响因素

影响工件机械加工表面残余应力的因素有很多，本文主要从工件材料、刀具和切削用量三个方面加以分析。

（1）工件材料方面。塑性大的金属材料，一般会产生拉应力，塑性越大，拉应力越大，切削脆性材料时通常产生残余压应力。合理选择工件材料可以减少残余应力的影响。

（2）刀具方面。刀刃圆弧半径和刀具前角对残余应力有重要影响。随着圆弧半径的增大,残余应力数值增大,应力层的厚度有轻微增大趋势；随着前角的增大,残余应力数值减小,拉应力层厚度减小,而压应力层厚度增大。

（3）切削用量方面。进给量和车削速度的变化主要影响车削表面残余应力,残余应力的大小随进给量或车削速度增大呈线性增长趋势；车削深度对机加工残余应力场分布深度影响较大。实际应用中应根据不同目的确定车削用量的选择方案，侧重减小表面残余拉应力时,要选取较小的进给量和车削速度；侧重较小的机加工应力分布层深度时,要选取小的车削深度。

3 控制和消除残余应力的方法

由于残余应力会对构件质量产生诸多不良影响，故相关专业人士对该领域展开了诸多研究，本文在参阅相关文献的基础上，结合多年理论、实践教学经验，系统化提出了消除和控制构件中残余应力的方法。

（1）自然时效。将构件露天放置于室外，经过几个月甚至几年的时间使残余应力发生松弛，从而使构件尺寸精度获得稳定。该方法简单易行，但生产周期长，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，而且只能降低少量的残余应力。

（2）热时效。将构件缓慢均匀的加热到塑性状态的温度范围内（550℃左右），保温一段时间（4～8h），再缓慢冷却。热时效工艺要求比较严格，升温和降温的速度对热时效的效果影响很大。该法是目前生产中应用最广泛、效果最好的一种应力消除方法。但耗能大、成本高且污染严重。

（3）振动时效。国外称之为"V.S.R"技术。它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定的方法。该法成本低、设备简单、时间比较短，可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。已在生产上得到一定的应用。

（4）爆炸法。是利用爆炸冲击波的能量使构件应变区产生塑性变形，从而达到降低或消除残余应力的目的。该法常用于焊接构件，爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，根据需要还可以在焊接区造成残余压应力。

（5）热冲击时效法，1970年前后出现的一种新颖的稳定工件尺寸精度的时效工艺法。其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

（6）声波时效法，超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广。该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。但是由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题，所以相对应用环境较窄，且成本颇高。

（7）其它方法，打压法、锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。

4 结语

在冷、热加工过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力，使构件的性能和使用寿命受到很大负面的影响。因此，在实际生产过程中，需要针对残余应力产生的原因以及影响因素，通过选用合理的工艺手段、刀具、切削参数等调整和控制残余应力，采用恰当的措施消除构建中的残余应力。

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