残余应力与质量控制的关系优化

8.1.2.1 残余应力对材料力学性能的影响

1.残余应力对静强度的影响 残余应力只是作为预应力施加在零件上，从而对材料的屈服强度产生影响。残余压应力使屈服强度上升，残余拉应力则使其下降。图8-2所示为预先加工（拉伸、扭转和两者组合）对直径为ϕ6.35mm的碳钢材料的载荷-伸长率曲线的影响。从图8-2中可知，材料的屈服强度变化很大，但抗拉强度性能指标却无大变化。其原因是残余应力不能改变材料的组织状态，因此无法改变材料的性能。一旦外力作用超过材料当时的屈服强度产生塑性变形，立即使残余应力释放，它的预应力作用就下降或消失了。

2.残余应力对塑性、韧性的影响 前面已指出，残余应力对屈服强度影响很大，对抗拉强度的影响很小，而塑性指标伸长率则恰好就是在屈服后到破坏前的塑性拉伸量。因此当残余拉应力使屈服强度下降，而抗拉强度性能变化不大时显然就使材料的伸长率增加了。而残余压应力的作用当然是相反的。一般来说，塑性好的材料韧性也好，可以认为残余应力是通过对强度的影响来对塑性、韧性起作用的。

3.残余应力对硬度的影响 当前的硬度测试方法都是压入法，即用坚硬的钢球或金刚石锥体向被测物体中压入，所以测硬度实际上是和材料的强度分不开的。显然屈服强度越高的材料反映在硬度上也会越高。将钢板弯曲变形，其一面产生残余拉应力，另一面是残余压应力，如图8-3所示。测量不同大小残余应力的洛氏硬度HRB，其结果反映出残余拉应力使硬度测定值下降，残余压应力使硬度测定值上升。

图8-2 预先加工（拉伸、扭转和两者组合）对直径为ϕ6.35mm的碳钢材料的载荷-伸长率曲线的影响

a）w（C）=0.14%b）w（C）=0.59%1～6试样加工前正火处理

1—正火状态 2—伸长3.75%，时效 3—伸长7.5%，时效 4—扭转17°43′/cm 5—扭转17°43′/cm+伸长2.5%，时效 6—伸长5%+扭转8°40′/cm，时效7～13试样加工前退火处理 7—退火状态 8—扭转8°40′/cm 9—伸长2.5%，时效10—扭转8°40′/cm，时效 11—扭转8°40′/cm+伸长1.9%，时效 12—扭转12°24′/cm+伸长1.25%，时效 13—伸长2.5%+扭转8°40′/cm，时效

注：时效温度为100℃（该温度下时效对残余应力无多大影响）。

将T10钢淬火后冷处理，当材料壁厚不同（5～20mm）时，由于淬透层不同，则使表面产生的残余应力不同。5mm钢板全截面淬透，表面是残余拉应力；而20mm钢板由于50%以上厚度心部未淬透而使表面为残余压应力。测量其硬度HV值，也同样得到残余压应力使硬度升高的结果。当然对硬度影响更大的是冷处理时的残留奥氏体的转变量。(www.xing528.com)

4.残余应力对疲劳强度的影响 残余应力对动载荷下的材料疲劳强度有很大影响。在弯曲、扭转、拉压等交变载荷下，疲劳裂纹萌生在截面上最大拉应力处，而多数情况下是在工件表面层。因此，当在工件表层存在一个残余压应力层时，就将增大疲劳裂纹的极限裂纹深度a_C和降低裂纹扩展速度da/dN，延长裂纹萌生期N₀，从而可提高疲劳强度σ_-1，延长疲劳寿命N_f。

图8-3 洛氏硬度和弯曲应力

注：材料为退火钢板，硬度为HRB。

材料表面层的残余压应力对疲劳强度的影响不仅和其数值大小有关，还和它在交变载荷下的衰减速度有关。而这又和材料及产生残余应力的方式有关。对于低、中碳钢，用表面化学热处理（渗碳、渗硼、渗氮等）得到的表面残余压应力层抗衰减能力很强，而表面强化的（喷丸、滚压等）则衰减较快。如45钢光滑试样，退火状态的σ_-1=213MPa，喷丸后为235MPa，提高了10%。而将其表面高频感应淬火（200℃回火），则其疲劳强度σ_-1可达到676MPa，提高了217%。对此类钢材的研究结果证明，凡压缩与拉伸的屈服强度之比≈1的钢材，仅用表面强化技术达不到大幅度提高疲劳强度的目的。而高碳钢和合金钢就不同了，表面强化也可大大提高疲劳强度。例如将w（C）=0.95%的高碳钢喷丸后，σ_-1可提高50%；w（C）=0.37%、w（Mn）=0.90%、w（Cu）=0.25%的中碳低合金钢喷丸也可使σ_-1提高50%。而低碳高合金的07Cr19Ei11Ti钢喷丸可使σ_-1提高70%。所以对不同材料如何采用最有效、最经济的办法来提高疲劳强度是设计时必须注意的问题。

8.1.2.2 残余应力对变形开裂的影响

1.残余应力分布与变形形态 由于残余应力的不同分布导致零件变形，故零件中处于残余压应力的区域必然产生压缩弹性变形，而处于残余拉应力的区域则为拉伸弹性变形。这种不同分布的弹性变形，使得零件的形状和尺寸产生偏差。如残余应力的分布是对称的，则产生的变形也是对称的。但由于热处理工件形状的不规则、壁厚的不一致、冷却的不均匀等，均会造成残余应力分布的不均匀，从而造成变形的不均匀，产生扭曲、翘曲等不规则变形，为热处理生产带来麻烦。

2.残余应力与开裂 工件淬火时，如果冷却过程中某处的瞬态应力超过了材料的断裂强度，则会使材料发生开裂。开裂产生后，其附近区域的应力值因应力释放而大大降低，使裂纹不再扩展。如果冷却过程中裂纹尖端一直存在较大拉应力，则会使裂纹扩展到整个截面，使工件断裂报废。