残余应力的定义、产生机理、消除方法等介绍
在机械制造及再制造过程中，零部件的表面会不可避免地产生残余应力。不仅在制备过程中会产生残余应力，而且在服役过程中也会诱发残余应力。残余应力对零件、材料的性能有显著的影响，既有有害的一面，也有有利的一面，作用机制较为复杂。一般认为，残余拉应力会促进表面裂纹的产生，从而降低零件的疲劳强度和耐蚀性；而残余压应力则有助于提高零件表面的抗疲劳性能。
残余应力定义
定义：残余应力是指在没有外部载荷作用时，存在于物体（如零件、结构）内部并自我平衡的应力。
一根被弯曲的金属板材，撤去外力后，虽然形状恢复，但内部仍存在“对抗变形”的应力场。
残余应力产生的原因
产生原因：残余应力主要是由于物体在制造或加工过程中经历了不均匀的塑性变形、温度变化或相变。
常见来源包括：
焊接： 焊接部位局部高温加热和快速冷却导致巨大的热膨胀收缩差异。
铸造： 铸件不同部位冷却速度不一致。
热处理： 淬火等快速冷却过程导致表面和心部冷却速率不同，或相变体积变化不均匀。
机械加工： 切削、磨削等过程在表面层引入塑性变形和热量。
冷加工： 轧制、拉拔、弯曲、喷丸等塑性成形过程导致材料不同部位变形程度不同。
装配： 过盈配合、螺栓预紧力等强制装配引入的应力。
宏观与微观
宏观：表现为拉伸应力或压缩应力。
微观：与微观结构应力、晶内亚结构应力相关。
残余应力的影响
有利影响：
提高疲劳强度： 如喷丸处理在表面引入有益的压应力，可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。
提高抗应力腐蚀开裂能力： 表面压应力有助于抵抗特定环境下的应力腐蚀。
不利影响：
变形与翘曲： 应力重新分布或释放（如加工掉部分材料）导致零件形状改变。
降低承载能力： 残余拉应力会叠加在工作应力上，可能导致早期屈服或降低疲劳强度。
促进开裂： 残余拉应力是导致冷裂纹（如焊接冷裂纹）、应力腐蚀开裂的重要因素。
降低尺寸稳定性： 长期服役或环境变化（如温度）下，残余应力可能松弛导致尺寸变化。
影响磁性/导电性等物理性能。
为了使零件达到良好的质量状态，应对其残余应力加以控制和利用：
对过高的残余应力进行消除。
对不均匀的残余应力进行均化处理。
对有特殊要求的零件进行表面强化，引入压应力。
消除残余应力的方法
消除残余应力（通常称为“去应力”或“应力释放”）的目标是降低残余应力峰值或使其分布更均匀，从而减少其不利影响。
主要方法：
【1】热处理法：
去应力退火： 最常用、最有效的方法之一。将工件加热到低于材料相变点的某一温度（通常为 Ac1 以下 100-200°C），保温足够时间（使应力充分松弛），然后缓慢均匀冷却。
原理： 高温下材料的屈服强度显著降低，在残余应力作用下发生蠕变和塑性流动，使应力松弛。缓慢冷却避免引入新的热应力。
优点： 效果可靠，能处理复杂形状和内部应力。
缺点： 成本高（能耗、设备、时间长），可能导致工件氧化、脱碳、尺寸变化或力学性能（如硬度）下降。
【2】机械法：
① 振动时效： 对工件施加特定频率和幅值的机械振动（通常在工件的固有频率附近），利用振动能量促使材料内部发生微观塑性变形，使残余应力峰值降低并趋于均匀化。
原理： 振动产生的交变应力与残余应力叠加，在局部超过屈服强度时发生塑性变形，释放应力。
优点： 节能环保、效率高、成本低、操作简便、工件无氧化、尺寸基本不变。
缺点： 效果不如热时效稳定彻底（特别是对于复杂结构或深层应力），需要选择合适的参数（频率、振幅、时间），对设备支撑和夹持有要求，噪音问题。
② 过载法/静态时效： 对工件施加一次或多次接近或略超过材料屈服强度的静载荷，使高应力区域发生塑性变形以释放应力。常用于简单结构（如梁、轴）。
③ 滚压/碾压： 通过滚轮对特定区域（如焊缝）施加压力，引入塑性变形来调整和降低局部残余应力。
④ 喷丸： 虽然主要目的是引入表面压应力，但剧烈的喷丸过程也可能对原有残余应力分布产生调整作用。
【3】热机械法：
热张力矫直： 在加热的同时施加拉伸力，综合了热效应和机械效应来消除应力（如型材、长焊件的矫直）。
自然时效：将工件在自然环境下放置较长时间（数月甚至数年），利用环境温度的自然波动和材料的蠕变特性，使应力缓慢松弛。效果有限且不可控，一般仅作为辅助手段或用于对精度要求不高的场合。
选择哪种方法取决于： 工件材料、尺寸、形状复杂度、残余应力水平与分布、精度要求、成本预算、生产效率等。热时效和振动时效是最主流的两种方法。
如何检测残余应力？
检测方法分为破坏性与无损两大类：
破坏性检测
钻孔法：在表面钻孔，通过应变片测量释放的应力（精度高但损伤工件）。
剥层法：逐层去除材料，根据变形反推应力分布（适合平板或圆柱试件）。
无损检测
X射线衍射法：利用晶面间距变化测应力（最常用，精度高）。
超声波法：通过声速变化评估内部应力（适合大体积工件，如钢轨、焊缝）。
磁测法：适用于铁磁材料，通过磁导率变化判断应力。
