残余应力

在材料科学和固体力学中，残余应力是在消除应力的原始原因后仍保留在固体材料中的应力。残余应力可能是可取的或不可取的。例如，激光喷丸将有益的压缩残余应力施加到涡轮发动机风扇叶片等金属部件中，并用于钢化玻璃，以允许智能手机上的大型、薄、防裂和防刮玻璃显示器。但是，设计结构中的意外残余应力可能会导致其过早失效。残余应力可能由多种机制引起，包括非弹性（塑性）变形、温度梯度（热循环期间）或结构变化（相变）。焊接产生的热量可能导致局部膨胀，在焊接过程中被熔融金属或被焊接部件的放置所吸收。当完成的焊件冷却时，一些区域比其他区域冷却和收缩更多，留下残余应力。另一个例子发生在半导体制造和微系统制造期间，当在不同的工艺条件下顺序沉积具有不同热和结晶特性的薄膜材料时。通过一叠薄膜材料的应力变化可能非常复杂，并且可以在层与层之间的压缩应力和拉伸应力之间变化。

虽然不受控制的残余应力是不可取的，但一些设计依赖于它们。特别是，脆性材料可以通过包括压缩残余应力来增韧，例如钢化玻璃和预应力混凝土。脆性材料失效的主要机制是脆性断裂，它始于初始裂纹的形成。当对材料施加外部拉应力时，裂纹尖端集中应力，使裂纹尖端处的局部拉应力增加至比散装材料上的平均应力更大的程度。当周围材料被应力集中压倒时，这会导致初始裂纹迅速扩大（传播），从而导致断裂。具有压缩残余应力的材料有助于防止脆性断裂，因为初始裂纹是在压缩（负拉伸）应力下形成的。为了通过初始裂纹的裂纹扩展引起脆性断裂，外部拉伸应力必须在裂纹尖端承受足够的拉伸应力以扩展之前克服压缩残余应力。一些剑的制造利用马氏体形成的梯度来产生特别坚硬的边缘（尤其是武士刀）。较硬的切削刃和较软的剑背之间的残余应力差异使这些剑具有特征曲线。在钢化玻璃中，在玻璃表面上会产生压应力，而在玻璃体中会产生拉应力来平衡。由于表面残留压应力，钢化玻璃更耐开裂，但在外表面破裂时会碎成小碎片。鲁珀特王子水滴（PrinceRupert'sDrop）展示了这种效应，这是一种材料科学的新奇事物，其中熔融玻璃球在水中淬火：因为外表面首先冷却和固化，当体积冷却和固化时，它想要占据一个比外皮已经定义的体积更小；这会使大部分体积处于张力状态，将皮肤拉入，使皮肤处于压缩状态。结果，实心小球非常坚韧，可以用锤子敲打，但如果它的长尾巴被折断，力量平衡就会被打破，在某些类型的枪管中，由两根管子压在一起制成的枪管，内管被压缩而外管伸展，从而防止开枪时膛线出现裂缝。

由于冷却不均匀，铸件也可能具有较大的残余应力。残余应力通常是关键部件过早失效的原因，并且可能是1967年12月美国西弗吉尼亚州银桥倒塌的一个因素。眼杆连接件是具有高残余应力水平的铸件，在一根眼杆，鼓励裂纹生长。当裂缝达到临界尺寸时，它会发生灾难性的增长，从那一刻起，整个结构开始在连锁反应中失效。由于结构在不到一分钟的时间内就发生了故障，当时桥上的46名司机和乘客在悬空的道路坠入下方的河流中丧生。

产生压缩残余应力的常用方法是对表面进行喷丸处理和对焊趾进行高频冲击处理。压缩残余应力的深度因方法而异。这两种方法都可以显着增加结构的使用寿命。

有一些技术可用于在梁中产生均匀的残余应力。例如，四点弯曲允许通过使用两个气缸在梁上施加载荷来插入残余应力。

测量残余应力的技术有很多，大致分为破坏性、半破坏性和非破坏性技术。技术的选择取决于所需的信息和测量样本的性质。因素包括测量的深度/穿透（表面或全厚度）、要测量的长度尺度（宏观、中观或微观）、所需信息的分辨率，以及样品的组成几何形状和位置。此外，一些技术需要在专门的实验室设施中进行，这意味着不可能对所有技术进行现场测量。

破坏性技术会导致样本发生巨大且无法修复的结构变化，这意味着样本无法恢复使用，或者必须使用模型或备件。这些技术使用应变释放原理起作用；切割测量试样以松弛残余应力，然后测量变形形状。由于这些变形通常是弹性的，因此在变形幅度和释放的残余应力幅度之间存在可利用的线性关系。破坏性技术包括：

• 等高线法——测量通过样品的2D平面截面上的残余应力，在垂直于用电火花线切割样品的表面的单轴方向上。
• 切缝（裂纹顺应性）——测量通过试样厚度的残余应力，垂直于切缝。
• 块移除/拆分/分层
• 萨克斯的无聊

与破坏性技术类似，这些技术也使用应变释放原理起作用。但是，它们仅去除少量材料，使结构的整体完整性保持不变。这些包括：

• 深孔钻孔——通过放松围绕小直径钻孔的核心中的应力来测量整个部件厚度的残余应力。
• 中心孔钻孔——通过应变释放测量近地表残余应力，该应变释放对应于带有应变仪花环的小浅钻孔。中心孔钻孔适合深度达4毫米。或者，盲孔钻孔可用于薄零件。中心孔钻孔也可以在现场进行现场测试。
• 环形芯-类似于中心孔钻孔，但具有更大的穿透力，并且切割发生在应变仪花环周围而不是通过其中心。

非破坏性技术测量残余应力之间的关系及其对被测材料的晶体学特性的影响。其中一些通过测量高频电磁辐射相对于无应力样品通过原子晶格间距（由于应力而变形）的衍射来工作。超声波和磁技术利用材料的声学和铁磁特性来执行残余应力的相关测量。无损技术包括：

• 电磁又名eStress-可用于各种样品尺寸和材料，精度与中子衍射相当。可提供便携式系统，例如eStress系统，可用于现场测量或永久安装以进行连续监测。每个位置的测量速度为1-10秒。
• 中子衍射-一种经过验证的技术，可以测量全厚度，但需要中子源（如核反应堆）。
• 同步加速器衍射-需要同步加速器，但提供与eStress和中子衍射方法类似的有用数据。
• X射线衍射-一种有限的表面技术，只能穿透几百微米。
• 超声波-一个仍在进行中的实验过程。
• 磁性-可用于非常有限的样品尺寸。

当先前的金属加工操作中存在不希望的残余应力时，可以使用几种方法来减少残余应力的量。这些方法可以分为热法和机械法（或非热法）。所有方法都涉及将要消除应力的部分作为一个整体进行处理。

热法包括通过加热或冷却来均匀地改变整个零件的温度。当零件被加热以消除应力时，该过程也可以称为应力消除烘烤。用于应力消除的冷却部件被称为低温应力消除，并且相对不常见。

大多数金属在加热时会降低屈服强度。如果材料的屈服强度因加热而充分降低，则材料内经受大于屈服强度（在加热状态下）的残余应力的位置将屈服或变形。这使材料的残余应力最多与材料在其加热状态下的屈服强度一样高。应力消除烘烤不应与退火或回火相混淆，退火或回火是增加金属延展性的热处理。尽管这些过程还涉及将材料加热到高温并降低残余应力，但它们也涉及冶金性能的变化，这可能是不希望的。对于某些材料，例如低合金钢，在去应力烘烤期间必须小心，以免超过材料达到xxx硬度的温度（参见合金钢中的回火）。

低温应力消除涉及将材料（通常是钢）置于液氮等低温环境中。在这个过程中，要消除应力的材料会长时间冷却到低温，然后慢慢恢复到室温。

消除不希望的表面拉伸应力并用有益的压缩残余应力代替它们的机械方法包括喷丸和激光喷丸。每个都使用介质处理材料表面：喷丸通常使用金属或玻璃材料；激光喷丸使用高强度光束来引发冲击波，该冲击波深入材料中传播。