残余拉应力降低零件的使用寿命而残余压应力可提高零件的使用寿命

已加工表面质量

已加工表面质量是指零件在加工后的表面层状态，主要包括表面粗糙度(表面几何学方面的参数)、表面层加工硬化程度和表面层残余应力的性质及其大小(表面物理性能方面的参数)等指标。已加工表面质量对零件的使用性能有很大的影响。如表面粗糙度会影响接触刚度、配合性质、耐磨性、抗腐蚀性及疲劳强度等。表面层残余拉应力容易使表面产生微裂纹，降低疲劳强度，使刚度差的零件发生变形而降低形状精度，但残余压应力则可阻止微裂纹的产生与扩展，提高零件的使用寿命。表面加工硬化层虽然会增加其耐磨性，但由于硬化不均匀，同时脆性也增加，降低零件抵抗冲击的能力，成为发生裂纹而促使表面破损和疲劳破坏的主要原因。因此，为了加工出所要求的表面质量，就有必要了解己加工表面层的形成及表面层质量的变化规律。
表面粗糙度主要是因为在切削过程中，除考虑刀具—工件的相对运动、刀具几何参数之外，切削过程中的振动、刀具磨损、切削变形、切削热等因素对粗糙度也有着很大影响，这些因素的综合效应不可忽视。凡是参加切削加工的因素，都在不同程度上影响着表面粗糙度。
残余应力产生的过程是一个非常复杂的力学过程。切削加工时，伴随着局部高温、高压、高应变和高应变率，在切削区产生严重的不均匀的热一弹塑性变形。其产生的原因通常归于以下二个方面:一方面是机械应力引起的不均匀弹塑性变形;另一方面是热应力引起的不均匀热一弹塑性变形。实质上残余应力的产生是各种影响因素综合叠加的结果，还需要根据具体加工条件进行具体分析。
切削加工硬化产生的原因:切削加工后的表面层硬度，取决于金属在切削过程中的变形强化和温升弱化。切削时，加工表面一方面经过了很大的塑性变形，受到变形强化;另一方面又受到高温的作用，表面发生弱化。因此，强化和弱化是同时进行的，已加工表面的硬度变化，是在切削应力和热应力的双重作用下的综合作用结果。

为什么机械加工中残余压应力可以提高耐疲劳强度（拉应力不行），要好理解！

轴向如果有压缩残留应力的情况下，在受到轴向疲劳的情况下，会提高一些疲劳寿命的。原因用金属材料学解释比较复杂，如果用断裂力学解释就容易了。裂纹尖端开始进展单位长度需要A能量，这就是断裂强度J。而如果有残留应力存在，就需要从A中减去那些需要释放残留应力的能量，这样，相应的进展长度也会减少，所以宏观上提现的就是相应应力的疲劳寿命延长，疲劳强度增加。但是应该没有人会选择这种方式提升疲劳强度，因为残留应力不好测量，而且单位残留应力能提高多少疲劳强度也不好测量，并且定向的残留应力加工也不好实施。仅仅是理论上如此。现实当中的例子是，经过拉拔冷压技术成型的管件或杆件，弯曲疲劳寿命会有一部分提高，其中一个原因是晶格紧密造成，另外一个原因是径向存在压缩残留应力。

【残余应力】全方位解读，让你不再迷茫

残余应力全方位解读
残余应力，也称内应力，是指当外部载荷去掉以后，仍存留在工件内部的应力。这种应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的，其外界因素主要来源于热加工和冷加工过程。
一、残余应力的来源
残余应力的产生可以归结为以下几个主要原因：
不均匀的塑性变形：外力使零件发生塑性变形，当外力消除后，由于变形不均匀，内部材料会试图恢复到原始状态，从而产生残余应力。不均匀的温度变化：在热加工过程中，由于工件各部分冷却速度不同，导致热胀冷缩不均匀，进而产生热应力。不均匀的相变：金属在加热和冷却过程中会发生相变，如共晶结晶和共析转变，这些相变会导致体积变化，从而产生相变应力。二、残余应力的分类
残余应力按产生的原因和平衡范围的不同，可以分为以下几类：
热应力：由于工件各部分冷却速度不同而产生的应力。例如，铸件中厚壁部分和薄壁部分因冷却速度差异而产生的拉压应力。相变应力：由于金属在加热和冷却过程中发生相变而产生的应力。如铸铁在共晶结晶和共析转变时产生的体积变化导致的应力。收缩应力（机械阻碍应力）：铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯等阻碍而产生的应力。按残余应力平衡范围的不同，还可以将其分为：
第一类内应力（宏观残余应力）：由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，平衡范围包括整个工件。第二类内应力（微观残余应力）：由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的，平衡范围在晶粒或亚晶粒之间。第三类内应力（点阵畸变）：由工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷引起的，作用范围在几十至几百纳米之间。三、残余应力对机械零部件的影响
残余应力对机械零部件的影响主要表现在以下几个方面：
引起物体尺寸和形状的变化：当残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏时，会导致物体产生相应的弹性变形或晶格畸变，从而引起尺寸和形状的变化。缩短零件的使用寿命：残余应力会使零件在工作时应力分布不均，当工作应力达到材料的屈服强度或断裂强度时，会导致塑性变形或断裂，从而缩短零件的使用寿命。降低金属的塑性、冲击韧性：残余应力的存在会加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高，塑性降低。降低金属的耐蚀性和疲劳强度：残余应力使零件处于高能量状态，易与氧化介质发生化学作用，造成应力腐蚀，降低耐蚀性。同时，残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布，降低疲劳强度。四、残余应力对零件切削加工的影响
在切削加工过程中，毛坯内部的残余应力会影响切削变形和切削后的零件质量。具体表现为：
产生切削残余应力：切削过程中，工件受到切削力和切削热的作用，产生弹性变形和塑性变形，切削完成后，工件表面会产生残余应力。影响切削变形：毛坯内部的残余应力在切削过程中会发生变化，导致切削变形的不均匀性增加。五、减小和消除残余应力的措施和方法
为了减小和消除残余应力，可以采取以下措施和方法：
采用合理的工艺结构：在零件设计时，避免厚薄不匀、尖角结构等，采用铸造圆角等合理的工艺结构。合理安排工艺路线：对于精密零件，粗、精加工应分开进行。对于大型零件，粗加工后应先松开夹紧装置，让工件自由变形，再进行精加工。采用合理的切削条件：在精加工时，使用较小的切削用量和较高的切削速度，使用锋利的刀具和切削液进行润滑冷却，以减小切削力和降低切削温度。采取时效处理技术：包括自然时效处理、热时效处理和振动时效处理等。其中，振动时效处理是一种经济简便、效率高的新方法，可用于消除残余应力、减少变形以及保持工件尺寸稳定。六、残余应力的检测手段
残余应力的检测手段多种多样，包括X射线衍射法、钻孔法、轮廓法、中子衍射法、FIB-DIC等。不同的检测方法有不同的空间分辨率和测量深度，适用于不同工艺的复杂样件。通过使用这些高精尖的检测手段，可以对焊接、增材制造、铸造、锻造、热处理等不同工艺的工件进行从表面到内部的残余应力测量。

综上所述，残余应力是机械零部件制造过程中不可避免的问题，但通过合理的工艺设计、切削条件选择以及时效处理等措施，可以有效地减小和消除残余应力，提高零件的质量和性能。

五大方面解读残余应力，让你不再迷茫

五大方面解读残余应力
一、残余应力的定义
残余应力，也称内应力，是指当外部载荷去掉以后，仍存留在工件内部的应力。这种应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的，其外界因素主要来源于热加工和冷加工过程。具有内应力的工件处于不稳定状态，内部组织有强烈恢复到无内应力稳定状态的倾向，这可能导致工件形状逐渐改变，如翘曲变形，从而丧失原有精度。
二、残余应力的来源
残余应力的产生可以归结为以下三个本质原因：
不均匀的塑性变形：外力使零件发生塑性变形，当外力消除后，由于变形不均匀，应力能量要释放出来，引起零件缓慢变形，形成残余应力。不均匀的温度变化：在热加工过程中，由于温度分布不均匀，导致金属内部组织发生不均匀的体积变化，从而产生残余应力。不均匀的相变：在某些金属中，由于相变（如奥氏体向马氏体的转变）的不均匀性，也会导致残余应力的产生。
三、残余应力对机械零部件的影响
残余应力对机械零部件的影响主要体现在以下几个方面：
引起物体尺寸和形状的变化：当物体内部存在残余应力时，会导致物体产生相应的弹性变形或晶格畸变。若残余应力消失或其平衡被破坏，物体的尺寸和形状将发生变化。缩短零件的使用寿命：残余应力与外力所引起的应力叠加，会导致应力在物体内的分布不均。当工作应力达到材料的屈服强度时，物体将产生塑性变形；达到断裂强度时，将产生断裂，从而缩短零件的使用寿命。降低金属的塑性、冲击韧性：残余应力的存在会加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高，塑性降低。降低金属的耐蚀性和疲劳强度：由于零件内部的残余应力使其处于高能量状态，易与氧化介质发生化学作用，造成腐蚀。同时，残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布，降低疲劳强度。
四、残余应力对零件切削加工的影响
产生切削残余应力：在切削过程中，工件受到切削力和切削热的作用，产生弹性变形和塑性变形。切削完成后，工件的已加工表面即产生了残余应力，导致工件在以后的使用中发生变形，精度降低。影响切削残余应力的因素：
切削用量：切削速度提高，工件温度上升，残余应力增加；走刀量和切削深度越大，切削力就越大，残余应力也越大。
刀具角度：增大刀具的前角、刃倾角，可使刀具锋利，减小切削力，从而降低残余应力。
切削液：使用切削液可以减小切削力和降低切削温度，从而减小残余应力。
五、减小和消除残余应力的措施和方法
采用合理的工艺结构：在零件设计时，应避免厚薄不匀、尖角结构等，以减少残余应力的产生。合理安排工艺路线：对于精密零件，应将粗、精加工分开进行。对于大型零件，粗加工后应先松开工件，使其自由变形，再进行精加工。采用合理的切削条件：在精加工时，应使用较小的切削和走刀量以及较高的切削速度，使用锋利的刀具和切削液进行润滑冷却，以减小切削力和降低切削温度，从而减小残余应力。采取时效处理技术：
自然时效处理：将工件放置在自然环境中，经过一定时间后，残余应力会逐渐释放。
热时效处理：通过加热工件，使其内部组织发生变化，从而消除或减小残余应力。但这种方法投资和能源消耗较大，且可能产生氧化影响表面品质。
振动时效处理：以激振的形式将机械能加到含有大量残余应力的工件内，引起工件金属内部晶格错位蠕变，使金属的结构状态稳定，以减少和消除工件的内应力。这种方法经济简便、效率高，且能消除较大比例的残余应力。
综上所述，残余应力对机械零部件的性能和使用寿命具有重要影响。因此，在设计和制造过程中，应充分考虑残余应力的产生和影响，并采取有效的措施和方法来减小和消除残余应力。

什么是残余应力？

残余应力是指消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。
一、残余应力的产生原因塑性变形过程中的不均匀性：在制造过程中，如冷轧，由于零件表面与内部塑性变形量的差异，容易产生宏观残余应力。热膨胀系数之间的差异：对于由不同材料组成的构件，或材料内部存在不同相（如双相钢中的两相），由于热膨胀系数的差异，在热处理过程中不均匀的体积变化会引入残余应力。体积变化：材料在加工或热处理过程中发生的体积变化也是产生残余应力的一个重要原因。二、残余应力的分类按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三类：
宏观残余应力（σ{ij}^{Ⅰ}）：由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，其大小为参与相关衍射的所有晶粒内残余应力的平均值。微观残余应力：包括晶间应力、错配应力或微应力，是晶粒尺度上的应力变化。微观残余应力又分为两类：二类应力（σ{ij}^{Ⅱ}）：定义为单个晶粒内的应力平均值与宏观残余应力之间的偏差。
三类应力（σ{ij}^{Ⅲ}）：描述了原子尺度上的应力，是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。
三、残余应力的方向按照残余应力的方向不同，通常可将其分为两类：
残余拉应力：会引起零件尺寸和形状的变化，降低金属的耐蚀性和疲劳强度，减少零件的使用寿命。残余压应力：有助于提高摩擦性能和耐磨性，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。四、残余应力的影响对制造性能的影响：残余应力可以反过来影响后续阶段的制造性能，如导致工件变形、开裂等。对产品使用性能的影响：残余应力会降低产品的疲劳强度、耐蚀性等，从而影响产品的使用寿命和可靠性。五、残余应力的缓解与利用缓解方法：通过热处理、机械处理（如喷丸、滚压等）、超声冲击等方法可以缓解或消除残余应力。利用方法：在某些情况下，可以通过引入残余压应力来提高产品的性能，如提高摩擦性能、耐磨性和疲劳强度等。六、实例分析在增材制造工艺中，高温梯度和高冷却速率通常会导致零件中存在较大的残余拉应力。如果不加以缓解，这些残余拉应力会对机械性能和疲劳性能产生不利影响。通过超声纳米表面改性（UNSM）进行后处理，可以使材料近表面区域产生残余压应力和晶粒细化，从而有效抑制或延缓疲劳裂纹的萌生和扩展。