金屬構(gòu)件中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和消除方法

黃宏俊

（鄭州交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程系，河南 鄭州 450062）

殘余應(yīng)力是指金屬構(gòu)件（鑄件、鍛件、焊接件）在加工過(guò)程中由于受到不均勻的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組織不均勻性，在變形后的變形體內(nèi)保留下來(lái)的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕和失穩(wěn)破壞的主要原因，由于殘余應(yīng)力的松弛，還會(huì)使零件產(chǎn)生變形，大大影響工件的尺寸精度。因此控制和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力十分必要。

1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

（1）塑性變形引起的機(jī)械應(yīng)力。在切削力作用下，已加工表面受到強(qiáng)烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對(duì)已加工表面的擠壓和摩擦產(chǎn)生的塑性變形最為突出，此時(shí)基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力除去后，基體金屬趨向恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

（2）切削溫度引起的熱應(yīng)力。工件加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體金屬溫度較低，因此表層金屬產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過(guò)程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于表層變形受到基體金屬的限制，故而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。切削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。磨削時(shí)產(chǎn)生的熱塑性變形比較明顯。

（3）相變引起的體積應(yīng)力。切削加工時(shí)，刀具與工件的摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，當(dāng)切削區(qū)域溫度高于材料相變溫度時(shí)金屬表層組織可能發(fā)生相變。由于各種金相組織的不同，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。例如：磨削淬火鋼時(shí)若表面產(chǎn)生回火現(xiàn)象，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w或索氏體，因體積減小，表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。若表面產(chǎn)生二次淬火現(xiàn)象則表面層產(chǎn)生二次淬火馬氏體，其體積比里層的回火組織大，因而表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

實(shí)際上機(jī)械加工后表層上的殘余應(yīng)力是復(fù)雜的，是由上述三種原因綜合作用的結(jié)果。在一定條件下，其中某一種或兩種原因起主導(dǎo)作用。

2 殘余應(yīng)力影響因素

影響工件機(jī)械加工表面殘余應(yīng)力的因素有很多，本文主要從工件材料、刀具和切削用量三個(gè)方面加以分析。

（1）工件材料方面。塑性大的金屬材料，一般會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，塑性越大，拉應(yīng)力越大，切削脆性材料時(shí)通常產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。合理選擇工件材料可以減少殘余應(yīng)力的影響。

（2）刀具方面。刀刃圓弧半徑和刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力有重要影響。隨著圓弧半徑的增大,殘余應(yīng)力數(shù)值增大,應(yīng)力層的厚度有輕微增大趨勢(shì)；隨著前角的增大,殘余應(yīng)力數(shù)值減小,拉應(yīng)力層厚度減小,而壓應(yīng)力層厚度增大。

（3）切削用量方面。進(jìn)給量和車削速度的變化主要影響車削表面殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力的大小隨進(jìn)給量或車削速度增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；車削深度對(duì)機(jī)加工殘余應(yīng)力場(chǎng)分布深度影響較大。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同目的確定車削用量的選擇方案，側(cè)重減小表面殘余拉應(yīng)力時(shí),要選取較小的進(jìn)給量和車削速度；側(cè)重較小的機(jī)加工應(yīng)力分布層深度時(shí),要選取小的車削深度。

3 控制和消除殘余應(yīng)力的方法

由于殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)構(gòu)件質(zhì)量產(chǎn)生諸多不良影響，故相關(guān)專業(yè)人士對(duì)該領(lǐng)域展開(kāi)了諸多研究，本文在參閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年理論、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)化提出了消除和控制構(gòu)件中殘余應(yīng)力的方法。

（1）自然時(shí)效。將構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛，從而使構(gòu)件尺寸精度獲得穩(wěn)定。該方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，而且只能降低少量的殘余應(yīng)力。

（2）熱時(shí)效。將構(gòu)件緩慢均勻的加熱到塑性狀態(tài)的溫度范圍內(nèi)（550℃左右），保溫一段時(shí)間（4～8h），再緩慢冷卻。熱時(shí)效工藝要求比較嚴(yán)格，升溫和降溫的速度對(duì)熱時(shí)效的效果影響很大。該法是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種應(yīng)力消除方法。但耗能大、成本高且污染嚴(yán)重。

（3）振動(dòng)時(shí)效。國(guó)外稱之為"V.S.R"技術(shù)。它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使構(gòu)件共振，進(jìn)而松弛殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的方法。該法成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、時(shí)間比較短，可避免金屬零件在熱時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。已在生產(chǎn)上得到一定的應(yīng)用。

（4）爆炸法。是利用爆炸沖擊波的能量使構(gòu)件應(yīng)變區(qū)產(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到降低或消除殘余應(yīng)力的目的。該法常用于焊接構(gòu)件，爆炸處理不僅可以完全消除焊接區(qū)殘余拉應(yīng)力，根據(jù)需要還可以在焊接區(qū)造成殘余壓應(yīng)力。

（5）熱沖擊時(shí)效法，1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過(guò)程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過(guò)材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。

（6）聲波時(shí)效法，超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣。該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。但是由于超聲波法只能解決構(gòu)件表層一定深度內(nèi)的應(yīng)力問(wèn)題，所以相對(duì)應(yīng)用環(huán)境較窄，且成本頗高。

（7）其它方法，打壓法、錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強(qiáng)化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強(qiáng)化零件的手段，噴丸的同時(shí)也改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強(qiáng)化機(jī)理中的重要因素。

4 結(jié)語(yǔ)

在冷、熱加工過(guò)程中，構(gòu)件內(nèi)部不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使構(gòu)件的性能和使用壽命受到很大負(fù)面的影響。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要針對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因以及影響因素，通過(guò)選用合理的工藝手段、刀具、切削參數(shù)等調(diào)整和控制殘余應(yīng)力，采用恰當(dāng)?shù)拇胧┫龢?gòu)建中的殘余應(yīng)力。

[1]蔣莉莎.焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法[J].滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10（2）:64-65.

[2]李欣,劉濟(jì)民,肖光臨.淺談?wù){(diào)整和消除零件中殘余應(yīng)力的措施[J].數(shù)控機(jī)床技術(shù)，2012,(1):66-67.

[3]楊雙華，黨義偉.降低鑄造殘余應(yīng)力工藝的探索[J].鑄造工程，2012,(1):26-28.

[4]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5]米谷貌.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與對(duì)策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.