焊接残余应力对结构的影响

焊接残余应力是构件还未承受载荷而早已存在构件截面上的初始应力，在构件服役过程中，和其他所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。焊接残余应力对焊接结构的影响是多方面的，也是非常复杂的，其影响机理也不尽相同。另外焊接残余应力的存在并非总是有害的，要具体情况具体分析[40]。

（1）对结构静载强度的影响。

假设有一焊接构件，其焊接残余应力分布如图4-30 所示，中间部分为拉应力，两侧为压应力。构件在外加拉伸载荷P 作用下产生拉应力σ 可由式（4-2）求出。

图4-30　外载荷作用下构件中的应力变化

式中，F 为构件截面积，B 为构建宽度，δ 为构件厚度。

由于外加拉伸载荷产生的拉伸应力σ 的作用，构件内部的应力分布将发生变化，随着σ 的增加，构件两侧部分原来的压应力逐渐减少而转变为拉应力，而构件中部的残余拉应力则与外力拉伸应力叠加。如果材料具有足够的塑形，当应力峰值达到σs后，该区域中的应力就不再增加，而产生塑性变形。其余区域应力未达到 σs，则随着外力的增加应力还继续增加，整个截面上的应力逐渐均匀化，直到构件上的全部应力都达到σs，应力就全面均匀化了[见图4-30（a）]。这时外力的大小可以用面积a b c d e f g h i 来表示。如果构件没有残余应力，要同样使整个截面应力都达到 σs，所需要的外力P=σs×F=σs×B×δ，其数值可用矩形面积a b h i 来表示。因为残余应力是内部平衡的应力，面积d e f=面积b c d+面积f g h，故面积a b c d e f h i 和面积a b h i 相等。由此可见，只要材料具有足够的塑性，就能进行塑性变形，内应力的存在并不影响构件的承载能力，也就是说对静载强度没有影响。

对于脆性材料或材料处于脆性状态来说[见图4-30（b）]。当外加载荷不断增加时，由于材料不能进行塑性变形，构件上的应力不能均匀化，应力峰值就会不断增加，一直到达材料的强度极限σb，发生局部破坏，从而最后导致整个构件断裂。也就是说，当材料塑性变形能力不足时，残余应力的存在将降低构件的静载强度。

（2）对受压杆件稳定性的影响。

受压杆件（如柱、桁架中的压杆等）在压力作用下可能发生整体失稳现象。从材料力学的基本理论得知，两端铰接的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失稳的临界应力σcr可由式（4-3）求得。

焊接残余应力在构件中是自身平衡的，即构件截面上同时存在压应力和拉应力，拉应力和压应力分布于构件的不同区域。当构件承受外加压应力时，截面上的压缩残余应力将与外载所引起的压应力叠加。应力的叠加使压应力区先期达到屈服极限sσ 。该区应力不再增加，从而使该区域丧失了进一步承受外载荷的能力。这样就相当于削弱了整个构件的有效面积。另一方面，拉应力区中的拉应力与外加载荷引起的压应力方向相反，使这部分截面积中的应力晚于其他部分达到屈服极限sσ 。因此，该区还有可能继续承受外力。以焊接H 形受压杆件为例，如图4-31 所示。其纵向焊接应力的分布如图4-31（a）所示，当外力引起的压应力 σp+σ2=σs时，应力的分布将如图 4-31（b）所示。

图4-31　焊接H 形钢受压时的应力分布

图4-32　带气割边及带盖板的焊接H 形钢的内应力分布

试验证明，焊接H 形受压构件，焊后不处理的比焊后高温回火消除内应力的临界应力低 20%～30%。而焊后又在边缘进行堆焊则临界应力可提高，其数值几乎与高温回火消除内应力的构件相等。

应该指出，内应力的影响只在构件的一定的长细比λ 范围内起作用。当杆件的λ 较大（＞150），它的临界应力本来就比较低时，或者当内应力的数值较低时，外载应力与内应力之和在失稳前仍未达到sσ ，则内应力对稳定性不会产生影响。此外，当杆件的λ 较小（＜30），相对偏心又不大（＜0.1）时，其临界应力主要决定于杆件的全面屈服，内应力也不至于产生影响。当杆件的长细比介于两者之间时，内应力就会影响杆件的稳定性。

对翼缘的宽度与厚度的比值（B/δb）较大的H 形截面，压缩内应力将降低翼缘的局部稳定性。局部失稳可能引起构件的整体失稳。在这种情况下，焊接内应力对整体稳定的影响则主要可能通过这一因素起作用。

（3）对刚度的影响。

构件受拉伸时，如果应力没有达到屈服极限 σs，则构件的伸长与作用力有式（4-5）的关系（见图4-33 中的O-S 线）。

图4-33　残余应力对刚度的影响

式中，P 为外加载荷；L 为构件长度；E 为材料的弹性模量；F =B×δ 为构件截面积；B 为构件的宽度；δ 为构件的厚度。

构件的刚度可以用式（4-6）来表征。

假设构件中心有一条焊缝，其残余应力的分布如图4-33（a）所示，在焊缝附近b 区中内应力为拉应力σ1，两侧为压应力σ2。σ1一般等于σs。在外力P 作用下，由于b 区中的应力已达到σs，应力不能继续增加，也就是说b 区不能再承受负载，而由b 区以外的（B-b）×δ 来承受，有效面积因此有所缩小。在这种情况下，构件的伸长将变为式（4-7）。

比较式（4-5）和式（4-7），构件中有内应力时，构件的伸长量 ΔL′比没有内应力情况时大，即ΔL′＞ΔL。此时刚度指标可由式（4-8）来表示。

对比式（4-6）和式（4-8）可知tanα′＜tanα，以及构件的刚度比没有内应力的情况时小。

当构件中没有残余应力时，构件在外载荷P 的作用下将产生ΔL 的伸长量，如图4-33（b）中的O-S 线所示。当构件中有残余应力，且拉应力大小等于σs时，构件在拉应力P 作用下的伸长量为ΔL′，伸长过程可用O-1 线来表示。在拉伸过程中构件各截面做平行移动，b 区中这种移动只产生拉伸塑性变形，应力仍保持为σs，而在（B-b）区内，应力上升到σ2+P/(B-b)×δ。在此过程中，构件的各截面产生大小为ΔL′的平移。在卸载时，各截面作反方向的平行移动，称之为回弹。在这个过程中并不产生新的塑性变形，各区中的应力均匀下降P/B×δ。在b 区中的应力下降到σs-P/B×δ。在（B-b）区中的应力下降到[σ2+P/(B-b)×δ]-[P/B×δ]，两区中的内应力都比加载前低。构件的回弹量为P×L/B×δ×E，等于无内应力时的拉伸变形ΔL，这个过程用1-2 线表示。1-2 线与O-S 线平行。卸载后，在构件上还保留有一个拉伸变形量O-2 等于ΔL′-ΔL。

从以上分析可以得出，若构件中存在着与外力方向一致的内应力，而内应力的数值又达到 σs，则在外力作用下刚度将降低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。刚度的降低程度与b/B 的比值有关，b 所占的比例越大，对刚度的影响也越大。

当构件中有残余应力，且拉应力大小小于σs时，由于σ1比σs小，在外加拉力的作用下b 区还可以承受一部分载荷，在外力作用下构件整个截面上的应力都增加。因此加载过程起初是按O-S 线进行的，与没有内应力的情况完全一致。这种情况一直持续到外加载荷引起的应力与σ1之和达到σs为止，用1′点表示。如果进一步增加P 值，b 区中应力不再上升，而产生塑形变形，这时又出现前面一种情况，构件的有效面积缩小，加载过程中用1′-2′线表示，1′-2′线与O-1 线平行。卸载时的情况与前一情况相同用2′-3′线表示。2′-3′线与O-S线平行。回弹量小于拉伸变形。第一种情况，经过一次加载和卸载后，b 区内的内应力已由原来的σs下降到σs-P/B×δ。如果对这个构件再以同样大小的外力加载一次，可以发现这次加载和第一次不同，所引起的应力与内应力之和恰巧等于 σs。加载过程完全是弹性的，卸载后回弹量与拉伸变形相同。因此可以得出一个重要的结论：焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载也不影响内应力的分布。当然，这个结论只适用于静载，对频率高、次数较多的变载荷另当别论。上述分析，不仅适用于构件的拉伸，亦可用于其他加载方式，如构件的弯曲等。例如工字梁的弯曲，翼缘焊缝附近区域Fs（见图4-34 中有剖面线的部分）中的内应力达到σs，与外加力矩M 引起的拉应力符号相同，将引起塑性变形，截面的有效惯性矩I′将比没内应力时小。因此挠曲变形比没有内应力时大，刚度有所下降。下降的程度不但与Fs 的大小有关，还与Fs 的位置有关。焊缝靠近中性轴时则对刚度的影响小。前面谈到的是纵向焊缝引起的内应力，Fs的面积占总面积比较小。在实际生产中横向焊缝和火焰校正，都可能在相当大的截面上产生较大的拉应力。虽然它们在长度方向的分布范围较小，但是它们对刚度的影响仍不可忽视。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载后可能产生较大的变形，而卸载后回弹量不足，应予重视。

图4-34　焊接梁工作时的刚度分析

（4）对疲劳性能的影响。

焊接残余应力对结构疲劳强度的影响是比较复杂的问题。一是复杂焊接结构本身残余应力分布就很复杂，很难精确测量；二是焊接结构承受的疲劳载荷大小不同及处于应力疲劳或应变疲劳区间时，即便结构中残余应力相同，可能残余应力对疲劳性能的影响也不尽相同。截至目前，人们就焊接残余应力对焊接结构疲劳性能的影响进行了大量试验研究工作。有些研究者采用有焊接应力的试样与经过热处理消除内应力后的试样进行疲劳试验做对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能的变化，而热处理在消除内应力的同时也恢复或部分恢复了材料的性能。因此，对于试验的结果就产生了不同的解释，对内应力的影响也有了不同的评价。也有一些研究者采用超声冲击、喷丸等表面处理方法在焊接接头的焊缝、焊趾区域形成残余压应力，然后研究经过表面强化处理的试样与原始焊态试样进行疲劳寿命对比试验。采用超声冲击、喷丸等表面强化手段后，不仅在焊缝及其附近区域形成了一定大小的残余压应力，而且还会使焊趾处的应力集中系数降低、表层金属组织变细。故该类方法能够提高焊接接头疲劳寿命的原因复杂，并非单一残余应力作用所致。

Wilson、Newman、Navrotskii 等首先对经应力释放前后不同对接接头进行疲劳研究，并对其进行常幅脉动拉伸循环载荷试验。Gurney 对试验结果分析，认为应力释放对改善疲劳强度影响不大，一般200 万次应力循环对应的疲劳强度只有约10%的提高，最大提高比例约为17%；而随后苏联学者Kudryavtsev和 Trufyakov 经过反复试验后，却提出相反结论：焊接残余应力对疲劳强度有较大影响。在对具有较高应力水平焊接残余应力的纵向不承载角焊缝和对接接头构件进行常幅疲劳试验后，他们认为高值残余拉应力的存在会大幅降低焊缝接头疲劳强度，当应力释放后，在200 万次循环下可大大提高结构的疲劳强度，提高值接近150%[41]。英国焊接研究所学者 Maddox[42]以4 种强度钢（屈服点为332～727MPa）焊接板的纵向不承载角焊缝接头来做疲劳试验研究，结果表明，4 种试件的疲劳强度均与外载荷响应应力范围相关，而加载应力比对其疲劳强度影响不明显。日本国立材料科学研究所对角焊缝和对接焊缝的焊接残余拉应力、应力比、材料拉伸强度等因素对疲劳强度影响进行了深入研究[43-46]并得出结论：焊接残余应力对结构疲劳强度具有重要影响。

如图4-35 所示为用应力半幅σa和平均应力σm表示的疲劳图，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值σa。应力振幅值大于极限幅值时，构件在规定的循环次数之前将发生疲劳破坏；反之，小于极限幅值则是安全的。从图中可以看出，随着σm的增加，极限应力幅值有所下降。如果构件中存在内应力σ0，则它将始终作用于应力循环中，使整个应力循环的应力值偏移一个σ0值。假设载荷的平均应力为σm，如图4-36（a）所示，与此平均应力相应的极限应力振幅为σa。若构件中内应力σ0为正值时，它将与载荷应力相叠加使应力循环提高σ0，如图4-36（b）所示，平均应力将增加到σm1（σm1=σm+σ0），其极限应力幅值降低到σa1，构件的疲劳强度将降低。若内应力为负值，它将使应力循环降低σ0，如图4-36（c）所示，平均应力将降低到σm2（σm2=σm-σ0），其极限应力幅值将增加到σa2，构件的疲劳强度将有所提高。(www.xing528.com)

图4-35　疲劳强度与应力半幅和平均应力的关系

图4-36　焊接应力对应力循环的影响

在上述分析中，未考虑内应力在载荷作用下的变化。实际上，当应力循环中的最大应力σmax到达σs时，亦即σm与σa之和达到σs时，内应力将因材料全面达到屈服而消除。如图4-35 所示中直线SCR 与水平轴成45°，是σm+σa=σs的轨迹。在此线上所有点的σm与σa之和均达到σs。当σm达到相当于图中C点的数值时（σm+σa=σs），内应力对疲劳强度将没有影响。当小于相当于C 点的数值，则σm越小，内应力的影响越显著。

如图4-37 所示为两组带有纵向、横向焊道的试样。它是一个采用不同焊接次序来获得不同的焊接应力分布的试样对比试验。第一组试样A 是先焊纵向焊缝，后焊横向焊缝；另一组试样B 是先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝。在焊接交叉处，第一组试样的拉伸焊接应力低于第二组。从图中可以看出第一组疲劳强度高于第二组。这个试验并没有采用热处理来消除内应力，排除了热处理对材料性能的影响，比较明确地说明了内应力的作用。

图4-37　利用不同焊接次序调整焊接应力的疲劳对比试验结果

残余应力对焊接结构疲劳性能的影响不仅与残余应力的大小及其分布有关，还与焊接结构所受疲劳载荷的应力循环特性、焊接接头的应力集中程度有关。在14Mn2 低合金结构钢试样上有一条横向对接焊缝，在正反两面各堆焊一条纵向焊道。一组试样焊后作消除内应力热处理，另一组未经热处理。疲劳试验采用3 种应力循环特性系数r=-1、0、0.3。试验结果如图4-38 所示。从图中可见，在交变载荷下（r=-1）消除内应力试样的疲劳强度接近130 MPa，而未消除内应力的仅为 75 MPa。在脉动载荷下（r=0）两组试样的疲劳强度相同，为 185 MPa。而当 r=0.3 经热处理消除内应力的试样的疲劳强度为260 MPa，反而略低于未经热处理的试样（270 MPa）。产生这个现象的原因为，在r 比值较高时，例如在脉动载荷下，疲劳强度较高，在较高的拉应力作用下，内应力较快地得到释放，因此内应力对疲劳强度的影响就减弱；当r 增大到0.3 时，内应力在载荷作用下进一步降低，实际上对疲劳强度已不起作用。而热处理在消除内应力的同时又消除了焊接过程对材料疲劳强度的有利影响，因而疲劳强度在热处理后反而下降。这个有利影响在交变载荷试样里并不足以抵消内应力的不利影响，在脉动载荷试样里正好抵消了残余的内应力的不利影响。上述试验所采用的试样，属于应力集中比较低的情况。对于带纵向短肋板，具有较高的应力集中系数的情况如图4-39 所示。

图4-38　带有交叉焊缝试样焊态1 与经热处理去应力2 的疲劳强度对比

图4-39　带纵向短筋板试样焊态1 和经热处理去应力2 的疲劳强度

结果消除内应力后的试验疲劳强度均高于未热处理的。在这个试验中，内用力的作用在脉动载荷下仍有反映，说明内应力的影响在应力集中较高时更大。

文献[47]采用超声冲击方法对16MnR 钢焊接十字接头的焊趾及其附近区域进行超声冲击处理，在接头具有相同应力集中程度并经过热处理消除残余应力后，在应力比为0.1、频率10 Hz 的条件下，对具有相同应力集中系数和经过热处理消除残余应力的原始焊态十字接头和超声冲击处理十字接头的疲劳寿命进行了对比试验。焊接接头焊趾表层的残余应力的测试结果如表 4-7所示，不同试样的疲劳试验结果如表4-8 所示。

表4-7　焊接接头焊趾表层的残余应力

表4-8　疲劳试验结果

续表

从表4-8 中可以看出，在应力集中程度相同的情况下，原始焊态接头的疲劳寿命是0.260×106，经过热处理消除残余应力后，疲劳寿命为0.296×106，提高了13.85%左右。原始焊态十字接头经热处理消除残余应力后，接头仍然具有较小的残余拉伸应力（纵向残余拉伸应力为57.1 MPa，横向残余拉伸应力为38.6 MPa），考虑这部分较小残余拉伸应力对疲劳寿命的不利影响作用，残余应力的作用应该在 15%左右。超声冲击后十字接头的疲劳寿命为0.499×106，超声冲击+热处理消除残余应力接头的疲劳寿命为 0.428×106，疲劳寿命降低了14.23%。超声冲击接头经过热处理消除残余应力后，接头仍然具有一定的残余压应力（纵向残余拉伸应力为-67.7 MPa，横向残余拉伸应力为-46.3 MPa），考虑这部分残余压应力对疲劳寿命的有利影响作用，残余应力的作用也在16%左右。

采用特殊的焊后表面处理方法引入残余压应力，可以提高焊接接头的疲劳强度及疲劳寿命，如锤击硬化、玻璃或钢的喷丸硬化、应力硬化及拉伸超载等。而较低水平的残余压应力（小于62 MPa）及焊后表面热应力释放处理对疲劳强度的影响无明显区别[48]。

尽管以上的研究结论已在工程中得到广泛应用，但至今焊接残余应力对疲劳影响机理的研究仍有待于系统和深入，特别是其在实际复杂结构中的真实疲劳影响作用[49]。当前，国际上对设计标准或规范中采用的焊接残余应力疲劳影响考虑方式的正确性及适用性，尚存在不同观点和争论，主要包括① 接头疲劳危险部位常存在接近或达到母材屈服点的残余拉应力的假设，可能与实际结构的残余应力分布不符，从而导致错误的疲劳评定结果。复杂焊接结构的残余应力分布极为复杂，一些常被假设认为存在高残余拉应力的接头部位，实际上分布着有益于疲劳性能的残余压应力，或者分布的残余拉应力水平很低，故其疲劳危险程度并没有预期严重。Fricke[50]的试验研究证实了这一观点，提出为确保疲劳分析的可靠性，建议预先确定出由焊接引入的残余应力的真实分布状态，以视具体情况进行分析考虑，如可使用日益发展的有限元数值焊接模拟仿真。② 类似于振动时效应力消除工艺，结构运用中外载作用可导致其焊接残余应力松弛、应力分布和水平发生改变，从而可能降低其对疲劳强度的不利影响。针对该问题，与现行标准或规范中处理方式相同，Maddox[51]较笼统地认为当确实存在高值残余拉应力，且为满足高周设计寿命绝大部分实际载荷循环的应力水平相对较低时，因疲劳加载引起的应力释放有限，驻留的残余拉应力仍可明显提高外加循环应力的平均应力，故残余拉应力在运用中得到一定释放并不会明显改善疲劳强度。与此相反，Krebs[52]等近期的大量试验对比研究结果表明，多数情况下外载作用导致的残余应力改变对结构疲劳强度的影响较为显著，通常比热应力释放工艺的影响还要大，应得到足够重视。其提出只考虑初始残余应力分布和水平，不足以分析对疲劳强度的影响作用，尚需进一步明确各种因素尤其是外载作用可能导致的残余应力改变情况。③ 复杂及不同条件下的残余应力疲劳影响研究仍有待于系统和深入，如不同加载状态（包括常幅或变幅加载、轴向或弯曲加载、高周或低周加载等）及应力集中程度（包括各类焊缝接头形式、焊后改善工艺等）下，焊接残余应力的疲劳影响程度可能存在较大差异。Sonsino[53]于近年来针对该问题进行了大量试验研究，做出了有益探讨。其研究的主要结论为，对试验的几种应力集中程度差异较大的焊缝接头试件，在随机或变幅载荷下，残余拉应力的不利影响程度均比常幅加载状态下小，同时变幅载荷下应力释放工艺的疲劳强度改进较常幅载荷下差；焊缝接头试件的弯曲疲劳强度较拉压疲劳强度高，故应依据实际加载模式（膜应力为主或弯曲应力为主）选择正确的许用应力或进行必要修正，其对设计轻量化结构尤为重要；不同应力集中情况下应力释放工艺的疲劳强度改进也不同，应力集中程度越严重，疲劳强度改进效果越差，即焊接残余应力的影响越有限，如应力释放对搭接接头（应力集中十分严重）的疲劳强度无改进，对纵向加强筋端部焊趾（应力集中为中等严重）在高周寿命区（N＞106）的疲劳强度改进显著，在中低周区改进较小，对V 形角接头（应力集中相对低）在全寿命区疲劳强度均有较大改进；交变常幅加载下应力释放对疲劳强度的改进高于脉动常幅加载，且在高周寿命区改进效果优于中低寿命区。

（5）对应力腐蚀的影响。

应力腐蚀是拉应力和腐蚀环境共同作用下产生裂纹的一种现象，它的主要特点如下：

① 应力必须存在，特别是拉伸应力必须存在。应力可以是外加的，也可以是制造或加工后内存的。拉伸应力越大，断裂所需时间越短。断裂所需应力通常低于材料的屈服强度。

② 腐蚀介质是特定的。只有特定材料+介质的组合才会发生应力腐蚀开裂。无应力存在时，材料在这种介质中的腐蚀通常是轻微的。

③ 断裂速度均在10-8～10-5m/s 范围内[54]，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度，断口一般为脆断型。

由于发生应力腐蚀开裂的设备或材料通常是承受苛刻腐蚀条件的核心部件，而应力腐蚀开裂的发生又没有明显的征兆，因此往往造成灾难性的后果，带来大量的经济损失和人员伤亡。

应力腐蚀一般分为3 个阶段。第一阶段，局部腐蚀造成小腐蚀坑和其他形式的应力集中，以后又逐渐发展成微小裂纹，即裂纹的萌生阶段。第二阶段，在腐蚀介质作用下，金属从裂纹尖端不断被腐蚀掉，进而在拉应力作用下又不断产生新的表面，这些新的表面又进一步被腐蚀。这样在应力和腐蚀的交替作用下裂纹逐渐扩展，即裂纹的稳定扩展阶段。第三阶段，当裂纹扩展到某一临界值，裂纹就在拉应力作用下以极快的速度扩展造成脆性断裂，即失稳断裂阶段。应力腐蚀与应力大小和时间有关。拉应力越大，发生断裂所需要的时间越短；拉应力越小，发生断裂所需的时间越长。有些结构的工作应力比较低，本来不至于在规定使用时间内产生应力腐蚀，但是焊接后由于焊缝及其附近区域的拉伸应力较大，焊接残余拉应力与工作拉应力叠加将促使焊缝附近较快产生应力腐蚀，造成构件产生裂纹，进而发生脆性破坏。文献[55]采用超声辊压方法对X80 管线钢进行表处理，研究了超声辊压处理对X80 管线钢在NS4 溶液中的应力腐蚀行为，试验结果如表4-9 所示。

表4-9　应力腐蚀试验参数和结果

从表中可以看出，X80 管线钢表面经过超声滚压处理后，应力腐蚀断裂时间比未处理试样明显增长。X80 管线钢在NS4 溶液中的应力腐蚀机理是氢致破裂和阳极溶解共同控制，在裂纹萌生和扩展的早期阶段，阳极发生的是金属溶解，这一阶段主要由电化学腐蚀溶解所致，它的作用是造成局部的脆化，氢促进阳极溶解。处理后试样表面形成的残余压应力会降低裂纹形核驱动力，表面强化层可以阻止氢向金属内部扩展，从而延迟裂纹萌生。文献[56]采用超声冲击方法对AZ91 镁合金进行表处理，研究了超声冲击处理对AZ91镁合金在NaCl 水溶液中的腐蚀行为。结果表明，与未冲击试样相比，平均腐蚀质量减少 61.04%，腐蚀速率降低了 59.88%。超声冲击处理可以明显提高AZ91D 镁合金的耐腐蚀性能。超声冲击不仅可以细化AZ91D 镁合金的表面组织，还可在其表面造成较大的残余压应力。两方面的原因对提高AZ91D 镁合金表面的耐腐蚀性能均起一定的作用。文献[57]采用表面强化技术对不锈钢表面进行处理，处理时在屈服强度之下分别取了350 MPa、380 MPa、400 MPa、450 MPa 加载，在屈服强度之上取了550 MPa，测得在不同应力下试样断裂的时间。其中在施加350 MPa 和380 MPa 应力时，试样在330 h、354 h 的时间内没有断裂。试验时环境温度为18～24 °C，在不同加载应力条件下对应力腐蚀性能的影响如表4-10 所示。

表4-10　不锈钢焊接接头抗应力腐蚀试验结果

从表中可以看出，实施表面处理后在施加应力小于材料屈服强度时，材料抵抗应力腐蚀性能大幅度提高。当然，表面处理后除了组织因素的贡献外，残余压应力的引入对提高材料抵抗应力腐蚀能力也具有一定的积极作用。

（6）对机加工精度的影响。

切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形。加工精度也就受到了影响。例如在焊接丁字形零件上[见图4-40（a）]，加工一个平面，会引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才能充分地表现出来。这样，它就破坏了已加工平面的精度。又例如焊接齿轮箱的轴孔[见图4-40（b）]，加工第二个轴孔所引起的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。

图4-40　机械加工引起的内应力释放和变形

保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机械加工。但是，有时也可以在机械加工工艺上做一些调整来达到这个目的。例如在加工零件时，可以分几次加工，每加工一次适当放松夹具，使工件的变形充分表现出来。重新调整好工件后再行紧固，然后再按照这个办法加工第二次、第三次……，加工量逐次递减。又例如在加工几个轴孔时，避免将一个轴孔全部加工完毕后再加工另一个，而采用分几次交替加工的办法，每次加工量递减，这样可以提高加工精度。当然这种方法很不方便，只有非常必要时才采用。

焊接构件在长期的存放和使用过程中，构件中的残余应力也会随着时间的推移而发生变化，从而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度。这点对精度要求高的构件，如精密机床的床身、大型量具的框架等是十分重要的。焊接构件在长期存放试验中证明许多结构钢中的焊接应力是不稳定的。焊接构件在长期存放过程中逐渐发生的尺寸变化称为焊接构件的尺寸稳定性。不同材料中的内应力不稳定程度有较大差异。造成焊接构件尺寸不稳定的原因主要有两个方面。一方面是蠕变和应力松弛。例如，低碳钢A3 在室温20 °C 下存放，原始应力24 000 N/cm2，经过两个月降低2.5%。如果原始应力较小，则降低的百分比相应减少。但随着存放温度的上升，应力降低的百分比将迅速增加。例如在100 °C 下存放，应力降低为20 °C 的5 倍。这种应力不稳定性的根源就是 A3 在室温下发生了蠕变和应力松弛。第二个方面是组织不稳定性。30CrMnSi、25CrMnSi、12Cr5Mo、20CrMnSiNi 等高强度合金结构钢在焊后产生残余奥氏体。这种奥氏体在室温存放过程中不断转化为马氏体。内应力因马氏体的膨胀而降低，其降低百分比远远超过低碳钢。试验表明35 号钢和4Cr13 等钢材焊后在室温和稍高温度下存放发生内应力增加的相反现象。这是焊后产生的淬火马氏体逐渐转化为回火马氏体过程中体积有所缩小引起的。由于上述合金钢和中碳钢焊后产生不稳定组织，因此内应力不稳定，构件的尺寸也不稳定。故为了保证构件的尺寸的高精度，焊后必须进行热处理。低碳钢焊后虽具有比较稳定的组织，尺寸稳定性相对来说比较高，但长期存放中因蠕变和应力松弛，尺寸仍然有少量变化，因此对精度要求高的构件来说，仍应先做消除应力处理。然后再进行机械加工。