残余应力的产生及其对构件性能的影响

2020-10-12巴发海刘宇希

无损检测 2020年9期

巴发海, 刘宇希

(上海材料研究所，上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437)

残余应力在机械构件及产品制造过程中广泛存在,无论是毫米量级的微小零件，亦或是重达数百吨的重要大锻件、铸件，残余应力的状态(大小和分布)都不容忽视。

残余应力的测试与评价可对材料的失效分析起辅助作用，是失效分析获得所需数据切实可行的手段之一。一些重大失效案例，如大锻件的滞裂现象以及在一些腐蚀环境中出现的应力腐蚀问题，都与构件中的残余应力有直接的因果关系。此外，依据应力测试与评价结果，采取适当的纠正措施，可改善残余应力状态，如预防、减小或消除应力，改进和优化产品制造工艺，从而延长部件的服役寿命。可通过选择独立的样本群体来代表感兴趣的制造阶段，以便评估制造工艺对部件应力状态的影响，帮助技术人员识别可能引入不良的应力状态的制造过程，以达到提高疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命的目的。因此，残余应力的测试和评价越来越受到制造业及失效分析工作者的重视。

残余应力的测试方法众多，X射线衍射(XRD)技术作为一种非破坏性测试方法，由于其理论成熟、方法简单，在工程上应用更为广泛。但现实是许多XRD测试结果往往与预期的结果差异较大，使得分析人员对残余应力的测试结果产生很大的疑惑，无法用来分析工艺过程或失效行为。因此，正确理解残余应力及其产生原理，分析残余应力的测试结果的合理性、准确性，合理解释和表征残余应力状态就显得非常重要。

1 残余应力的产生

产品的制造过程会产生残余应力，主要包括下列过程:① 热加工(铸造、锻造、焊接);② 热处理;③ 冷加工(成型、机械加工、磨削);④ 电镀与热镀锌;⑤ 表面化学热处理(渗碳、氮等);⑥ 装配。

研究发现，不同制造工艺的残余应力状态是大不相同的。图1为火焰淬火后残余应力的表面和心部的应力分布，心部为拉应力，表面为压应力；图2为轧辊淬火态从心部到表面的应力分布。实测其最大拉应力在1/2壁厚处，而表面和心部则为压应力；图3为渗碳层的淬火应力分布，应力逐渐由表面的拉应力过渡到近表层的压应力；图4为磨削加工过程中不同磨削方向、不同进刀量条件下加工表面的残余应力状态[1];图5为某失效压力容器裂纹源焊缝横截面上(双坡口，壁厚为24 mm)残余应力分布，可见不同方向和位置残余应力波动很大，近1/4壁厚处拉应力较大;图6为铸件的冷裂失效。当铸件处于弹性状态、铸件冷却过程中残余应力超过材料的强度极限就会产生冷裂纹。冷裂纹总是发生在冷却过程中承受拉应力的部位，特别是拉应力集中的部位。图6中裂纹位置由于没有工艺拉筋,冷却过程中存在过大的拉应力导致开裂；图7为汽化器钢管的胀裂照片，由于员工误操作，汽化器内部压力极速升高造成较大的内应力，残余应力叠加超出材料强度导致管子鼓胀变形进而开裂，开裂后应力得到释放。从图8残余应力的测试结果来看，仍然存在高达600 MPa的拉应力，大大超过了管子实测的屈服强度(302 MPa)，接近抗拉强度(630 MPa)。可见，残余应力测试结果验证了塑性变形胀管和服役应力过大的失效原因。

图1 火焰淬火残余应力分布

图2 轧辊淬火残余应力(φ 400 mm)分布

图3 渗碳层残余应力分布

图4 GCr15轴承磨削加工表面残余应力状态

图5 压力容器纵焊缝横截面上的应力分布

图6 灰铸铁塔底座的应力开裂

图7 汽化器变形开裂失效照片

图8 失效管表面横向应力测试结果

图9为锻件热处理过程中不同应力来源及应力分布示意[2]，这些应力包括热应力、组织应力和比体积变化应力，其最终的应力合成结果是中心部位为拉应力，表面为压应力。加热后受到急冷的表层因马氏体相变而发生膨胀，会受到心部的牵制，结果是本来要膨胀的表层因受到来自内侧的牵制而产生压应力，心部则产生拉应力。最终形成表面压应力，心部为拉应力。正是由于心部拉应力的存在，热处理完全淬透锻件多为从心部或近心部开裂。大型锻件的一个重要失效形式就是滞裂(毛坯件或最终加工件在安装件放置一段时间后自然断为两段的现象)。精轧机电机轴由于锻后退火等去应力热处理不及时，一个月后其发生滞裂现象(见图10)[3]。滞裂的一个重要原因就是锻件心部残存较大的残余拉应力，如果再伴随除氢不良，开裂的可能性就会大大增加。

图9 锻件热处理应力类型与分布示意

图10 精轧机电机轴滞裂现场

图11为管与管板常见连接方式示意。换热器中的管与管板连接方式有胀-焊连接、仅胀未焊连接以及仅焊未胀连接3种。无论哪种连接方式，不锈钢管束的应力腐蚀经常在胀与未胀过渡区发生。这与滚胀连接时的局部变形存在较大的纵向残余拉应力有关，其表面残余应力分布曲线如图12所示。

图11 管与管板常见连接方式示意

图12 0Cr15Ni75Fe耐蚀合金管材与管板胀接后滚胀区内表面残余应力分布曲线

支撑辊残余应力沿截面的分布曲线如图13所示，试验表明[4]，φ180 mm的45Cr4NiMoV支承辊表面淬火+200 ℃回火10 h后的表面为压应力，压应力层深约30 mm，从表往里逐渐由压应力变为拉应力，拉应力峰值出现在60 mm处，最大拉应力并不在支承辊锻件的中心部分。最易萌生裂纹的地方并非在中心，而是在1/2R到1/3R处。图14为磨削和喷丸两种加工方式下表面纵向残余应力的分布，相对于磨削加工，喷丸处理后表面层一定厚度内可以获得较大的残余压应力分布。

图13 支撑辊残余应力沿截面的分布曲线

图14 喷丸和磨削表面残余应力分布

可见，机械零部件的制造过程总伴随着应力的产生，大的残余应力对零部件的开裂等失效行为有直接的影响。通过对零件制造过程残余应力沿截面分布的规律进行研究，可以对残余应力分布规律有较好的认识，并应用于后续的工艺过程。

2 残余应力对构件性能的影响

(1)残余应力对静强度和变形的影响。对塑性材料影响不大，或没有影响。对淬火回火态工件影响不可忽视。

(2)对硬度的影响。从原理而言硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬度的测定值都会在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测得的硬度值有所变动。在测定压入硬度的情况下，残余应力会影响到压入部分周围的塑性变形。如纳米压痕测试过程产生的凸起(Pile up)和沉陷(Sink)现象。

(3)对疲劳的影响。一般，当承受交变应力的构件存在残余压应力时，构件的疲劳强度提高；当存在残余拉应力时，构件的疲劳强度下降。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度,提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的重要因素。研究结果证实，应变疲劳(LCF)的寿命对应力(或应变)的变化很敏感。5%10%的应力差异会导致高达50%的LCF寿命差异[5]。图15中S-N曲线(应力-寿命曲线)显示，对于两个相同的齿轮，齿轮B疲劳极限的应力范围为1 256 MPa，而双喷丸齿轮A的应力范围则增加了38%，达到1 710 MPa[6]。残余应力的变化可能会影响S-N曲线的位置，并进而改变疲劳寿命。

图15 喷丸与未喷丸齿轮S-N曲线

由于喷丸处理技术可以形成表面的压应力，从图16可以看出，喷丸后残余压应力提升了裂纹张开的阈值，使裂纹萌生产生了明显的延后效应。图17[6]定性地描述了残余应力抵偿外加应力合成后的总应力，以及其对疲劳强度的影响，残余压应力可以在很大程度上抵偿外加应力的作用。硬齿面齿轮的有效硬化层因存在残余压应力，可以降低齿轮的载荷应力，使齿根的抗弯曲疲劳强度和齿面的抗接触疲劳强度得以显著提高。对深层渗碳硬化层进行残余应力测试，可以为确定合理的渗碳层深度提供重要技术支撑。

图16 Ti-6Al-4V喷丸后残余压缩应力曲线

图17 渗碳淬硬层应力分布与抵偿外加应力示意

(4)对脆性断裂和应力腐蚀开裂的影响：对低温脆性断裂和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的，有大量的事例和分析表明有许多类似的失效现象是由残余应力导致的，或残余应力起到了至关重要的作用。

一般焊缝热影响区(HAZ)会残留较高的残余应力，从而导致焊缝部位产生热裂和冷裂以及延迟裂纹。服役环境中由于服役应力和残余应力的叠加或单独存在，如果有腐蚀介质的情况下同时存在敏感金属材料，那么在焊缝部位发生应力腐蚀和腐蚀疲劳的可能性会大大提高。要减少腐蚀的发生概率，改变腐蚀环境或介质并不现实，改变合金材料的选择也是一个系统工程，那么改善应力的类型和分布也许就是一个优化的选择。减轻拉应力充其量只能是部分解决方案，因为要完全释放部件中的所有拉应力，必须使加热温度达到可能改变材料性能的退火温度。而退火不可能改变服役过程中施加的任何拉力载荷。因此，抑制或防止SCC(应力腐蚀开裂)的有效方法是引入压应力。