殘余應力的產(chǎn)生及其對構件性能的影響

巴發(fā)海, 劉宇希

(上海材料研究所，上海市工程材料應用與評價重點實驗室, 上海 200437)

殘余應力在機械構件及產(chǎn)品制造過程中廣泛存在,無論是毫米量級的微小零件，亦或是重達數(shù)百噸的重要大鍛件、鑄件，殘余應力的狀態(tài)(大小和分布)都不容忽視。

殘余應力的測試與評價可對材料的失效分析起輔助作用，是失效分析獲得所需數(shù)據(jù)切實可行的手段之一。一些重大失效案例，如大鍛件的滯裂現(xiàn)象以及在一些腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)的應力腐蝕問題，都與構件中的殘余應力有直接的因果關系。此外，依據(jù)應力測試與評價結(jié)果，采取適當?shù)募m正措施，可改善殘余應力狀態(tài)，如預防、減小或消除應力，改進和優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝，從而延長部件的服役壽命。可通過選擇獨立的樣本群體來代表感興趣的制造階段，以便評估制造工藝對部件應力狀態(tài)的影響，幫助技術人員識別可能引入不良的應力狀態(tài)的制造過程，以達到提高疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命的目的。因此，殘余應力的測試和評價越來越受到制造業(yè)及失效分析工作者的重視。

殘余應力的測試方法眾多，X射線衍射(XRD)技術作為一種非破壞性測試方法，由于其理論成熟、方法簡單，在工程上應用更為廣泛。但現(xiàn)實是許多XRD測試結(jié)果往往與預期的結(jié)果差異較大，使得分析人員對殘余應力的測試結(jié)果產(chǎn)生很大的疑惑，無法用來分析工藝過程或失效行為。因此，正確理解殘余應力及其產(chǎn)生原理，分析殘余應力的測試結(jié)果的合理性、準確性，合理解釋和表征殘余應力狀態(tài)就顯得非常重要。

1 殘余應力的產(chǎn)生

產(chǎn)品的制造過程會產(chǎn)生殘余應力，主要包括下列過程:① 熱加工(鑄造、鍛造、焊接);② 熱處理;③ 冷加工(成型、機械加工、磨削);④ 電鍍與熱鍍鋅;⑤ 表面化學熱處理(滲碳、氮等);⑥ 裝配。

研究發(fā)現(xiàn)，不同制造工藝的殘余應力狀態(tài)是大不相同的。圖1為火焰淬火后殘余應力的表面和心部的應力分布，心部為拉應力，表面為壓應力；圖2為軋輥淬火態(tài)從心部到表面的應力分布。實測其最大拉應力在1/2壁厚處，而表面和心部則為壓應力；圖3為滲碳層的淬火應力分布，應力逐漸由表面的拉應力過渡到近表層的壓應力；圖4為磨削加工過程中不同磨削方向、不同進刀量條件下加工表面的殘余應力狀態(tài)[1];圖5為某失效壓力容器裂紋源焊縫橫截面上(雙坡口，壁厚為24 mm)殘余應力分布，可見不同方向和位置殘余應力波動很大，近1/4壁厚處拉應力較大;圖6為鑄件的冷裂失效。當鑄件處于彈性狀態(tài)、鑄件冷卻過程中殘余應力超過材料的強度極限就會產(chǎn)生冷裂紋。冷裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受拉應力的部位，特別是拉應力集中的部位。圖6中裂紋位置由于沒有工藝拉筋,冷卻過程中存在過大的拉應力導致開裂；圖7為汽化器鋼管的脹裂照片，由于員工誤操作，汽化器內(nèi)部壓力極速升高造成較大的內(nèi)應力，殘余應力疊加超出材料強度導致管子鼓脹變形進而開裂，開裂后應力得到釋放。從圖8殘余應力的測試結(jié)果來看，仍然存在高達600 MPa的拉應力，大大超過了管子實測的屈服強度(302 MPa)，接近抗拉強度(630 MPa)。可見，殘余應力測試結(jié)果驗證了塑性變形脹管和服役應力過大的失效原因。

圖1 火焰淬火殘余應力分布

圖2 軋輥淬火殘余應力(φ 400 mm)分布

圖3 滲碳層殘余應力分布

圖4 GCr15軸承磨削加工表面殘余應力狀態(tài)

圖5 壓力容器縱焊縫橫截面上的應力分布

圖6 灰鑄鐵塔底座的應力開裂

圖7 汽化器變形開裂失效照片

圖8 失效管表面橫向應力測試結(jié)果

圖9為鍛件熱處理過程中不同應力來源及應力分布示意[2]，這些應力包括熱應力、組織應力和比體積變化應力，其最終的應力合成結(jié)果是中心部位為拉應力，表面為壓應力。加熱后受到急冷的表層因馬氏體相變而發(fā)生膨脹，會受到心部的牽制，結(jié)果是本來要膨脹的表層因受到來自內(nèi)側(cè)的牽制而產(chǎn)生壓應力，心部則產(chǎn)生拉應力。最終形成表面壓應力，心部為拉應力。正是由于心部拉應力的存在，熱處理完全淬透鍛件多為從心部或近心部開裂。大型鍛件的一個重要失效形式就是滯裂(毛坯件或最終加工件在安裝件放置一段時間后自然斷為兩段的現(xiàn)象)。精軋機電機軸由于鍛后退火等去應力熱處理不及時，一個月后其發(fā)生滯裂現(xiàn)象(見圖10)[3]。滯裂的一個重要原因就是鍛件心部殘存較大的殘余拉應力，如果再伴隨除氫不良，開裂的可能性就會大大增加。

圖9 鍛件熱處理應力類型與分布示意

圖10 精軋機電機軸滯裂現(xiàn)場

圖11為管與管板常見連接方式示意。換熱器中的管與管板連接方式有脹-焊連接、僅脹未焊連接以及僅焊未脹連接3種。無論哪種連接方式，不銹鋼管束的應力腐蝕經(jīng)常在脹與未脹過渡區(qū)發(fā)生。這與滾脹連接時的局部變形存在較大的縱向殘余拉應力有關，其表面殘余應力分布曲線如圖12所示。

圖11 管與管板常見連接方式示意

圖12 0Cr15Ni75Fe耐蝕合金管材與管板脹接后滾脹區(qū)內(nèi)表面殘余應力分布曲線

支撐輥殘余應力沿截面的分布曲線如圖13所示，試驗表明[4]，φ180 mm的45Cr4NiMoV支承輥表面淬火+200 ℃回火10 h后的表面為壓應力，壓應力層深約30 mm，從表往里逐漸由壓應力變?yōu)槔瓚Γ瓚Ψ逯党霈F(xiàn)在60 mm處，最大拉應力并不在支承輥鍛件的中心部分。最易萌生裂紋的地方并非在中心，而是在1/2R到1/3R處。圖14為磨削和噴丸兩種加工方式下表面縱向殘余應力的分布，相對于磨削加工，噴丸處理后表面層一定厚度內(nèi)可以獲得較大的殘余壓應力分布。

圖13 支撐輥殘余應力沿截面的分布曲線

圖14 噴丸和磨削表面殘余應力分布

可見，機械零部件的制造過程總伴隨著應力的產(chǎn)生，大的殘余應力對零部件的開裂等失效行為有直接的影響。通過對零件制造過程殘余應力沿截面分布的規(guī)律進行研究，可以對殘余應力分布規(guī)律有較好的認識，并應用于后續(xù)的工藝過程。

2 殘余應力對構件性能的影響

(1)殘余應力對靜強度和變形的影響。對塑性材料影響不大，或沒有影響。對淬火回火態(tài)工件影響不可忽視。

(2)對硬度的影響。從原理而言硬度可分為壓入硬度和回彈硬度。無論哪種硬度的測定值都會在一定程度上受到殘余應力的影響，從而使測得的硬度值有所變動。在測定壓入硬度的情況下，殘余應力會影響到壓入部分周圍的塑性變形。如納米壓痕測試過程產(chǎn)生的凸起(Pile up)和沉陷(Sink)現(xiàn)象。

(3)對疲勞的影響。一般，當承受交變應力的構件存在殘余壓應力時，構件的疲勞強度提高；當存在殘余拉應力時，構件的疲勞強度下降。適當?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯赡艹蔀樘岣咂趶姸?提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的重要因素。研究結(jié)果證實，應變疲勞(LCF)的壽命對應力(或應變)的變化很敏感。5%10%的應力差異會導致高達50%的LCF壽命差異[5]。圖15中S-N曲線(應力-壽命曲線)顯示，對于兩個相同的齒輪，齒輪B疲勞極限的應力范圍為1 256 MPa，而雙噴丸齒輪A的應力范圍則增加了38%，達到1 710 MPa[6]。殘余應力的變化可能會影響S-N曲線的位置，并進而改變疲勞壽命。

圖15 噴丸與未噴丸齒輪S-N曲線

由于噴丸處理技術可以形成表面的壓應力，從圖16可以看出，噴丸后殘余壓應力提升了裂紋張開的閾值，使裂紋萌生產(chǎn)生了明顯的延后效應。圖17[6]定性地描述了殘余應力抵償外加應力合成后的總應力，以及其對疲勞強度的影響，殘余壓應力可以在很大程度上抵償外加應力的作用。硬齒面齒輪的有效硬化層因存在殘余壓應力，可以降低齒輪的載荷應力，使齒根的抗彎曲疲勞強度和齒面的抗接觸疲勞強度得以顯著提高。對深層滲碳硬化層進行殘余應力測試，可以為確定合理的滲碳層深度提供重要技術支撐。

圖16 Ti-6Al-4V噴丸后殘余壓縮應力曲線

圖17 滲碳淬硬層應力分布與抵償外加應力示意

(4)對脆性斷裂和應力腐蝕開裂的影響：對低溫脆性斷裂和應力腐蝕開裂等突然性的失效形式，殘余應力的作用是顯著的，有大量的事例和分析表明有許多類似的失效現(xiàn)象是由殘余應力導致的，或殘余應力起到了至關重要的作用。

一般焊縫熱影響區(qū)(HAZ)會殘留較高的殘余應力，從而導致焊縫部位產(chǎn)生熱裂和冷裂以及延遲裂紋。服役環(huán)境中由于服役應力和殘余應力的疊加或單獨存在，如果有腐蝕介質(zhì)的情況下同時存在敏感金屬材料，那么在焊縫部位發(fā)生應力腐蝕和腐蝕疲勞的可能性會大大提高。要減少腐蝕的發(fā)生概率，改變腐蝕環(huán)境或介質(zhì)并不現(xiàn)實，改變合金材料的選擇也是一個系統(tǒng)工程，那么改善應力的類型和分布也許就是一個優(yōu)化的選擇。減輕拉應力充其量只能是部分解決方案，因為要完全釋放部件中的所有拉應力，必須使加熱溫度達到可能改變材料性能的退火溫度。而退火不可能改變服役過程中施加的任何拉力載荷。因此，抑制或防止SCC(應力腐蝕開裂)的有效方法是引入壓應力。

3 結(jié)語

分析了幾種典型制造工藝過程中殘余應力的產(chǎn)生機理和分布規(guī)律，并對殘余應力對構件性能的影響進行研究，指出殘余拉應力對腐蝕介質(zhì)和交變應力下的構件危害較大，一定范圍的殘余壓應力可提高材料疲勞壽命。文章對殘余應力的研究具有指導意義。