《材料成型检测技术》课件-5.材料残余应力检测与分析

《材料成型检测技术》1.残余应力概述CONTENTS目录01残余应力的概念02残余应力的分类03对材料质量的影响04总结残余应力的概念PARTONE什么是残余应力？简单来说，残余应力是指材料在没有外部载荷作用时，内部依然存在的应力。它的产生源于材料在加工或使用过程中，内部各部分发生了不均匀的变形或相变，而这种变形又受到周围材料的约束，无法自由释放，最终在内部形成了“相互拉扯”的应力状态。一、残余应力的概念（一）残余应力的定义比如，金属材料在焊接时，焊缝区域被高温加热后快速冷却，收缩过程中受到周围未受热材料的阻碍，就会在焊缝及附近区域产生残余应力；热处理时，材料内部因温度分布不均导致的相变差异，也会引发残余应力；甚至简单的冲压、锻造等塑性加工，因变形程度不同，也会在材料内部留下残余应力。一、残余应力的概念（一）残余应力的定义从工业应用角度看，残余应力的影响具有“双面性”：合理利用残余应力可以提升材料性能，比如对弹簧进行喷丸处理，引入表面残余压应力，能显著提高其疲劳寿命；但如果残余应力控制不当，则可能导致零件早期失效，比如大型铸件因残余应力释放而产生变形，精密仪器因残余应力导致精度下降。正因如此，掌握残余应力的分类方法、理解其对材料质量的影响机制，成为工程师和检测人员必须具备的专业能力。接下来，我们先从残余应力的分类开始深入学习。残余应力的分类PARTTWO二、残余应力的分类宏观残余应力微观残余应力根据残余应力作用的范围，我们可以将其分为两大类：这种分类方式的核心是“作用尺度”——前者影响范围大，可用宏观手段检测；后者局限在微小区域，需要借助微观设备观察。二、残余应力的分类（一）宏观残余应力宏观残余应力又称第一类残余应力，是指在材料宏观范围内（通常指毫米级及以上）存在的应力，其作用区域可以是整个零件或构件的大部分体积。这类应力的特点是分布相对均匀，且可以通过应力平衡方程计算——整个构件内部的宏观残余应力总和为零，否则构件会在无外力作用时发生宏观变形。二、残余应力的分类（一）宏观残余应力宏观残余应力的产生多与材料的整体不均匀变形或温度变化有关比如，热轧钢板在冷却过程中，表面冷却速度快于内部，表面收缩受到内部阻碍，会产生残余拉应力，而内部则对应产生残余压应力；焊接构件中，焊缝区域的收缩受到母材约束，往往在焊缝处产生残余拉应力，周围区域则产生残余压应力。宏观残余应力对构件的整体性能影响显著例如，压力容器如果内壁存在较大的宏观残余拉应力，会与工作压力产生的拉应力叠加，增加容器爆破的风险；而如果通过热处理在表面引入宏观残余压应力，则能提高构件的抗变形能力。二、残余应力的分类（二）微观残余应力微观残余应力的作用范围局限在材料的微观结构中，根据作用对象的不同，又可分为两类：01.微观结构应力（第二类残余应力）这类应力主要存在于材料的晶粒之间或不同相之间，作用尺度为微米级（通常为1-100微米）。它的产生源于相邻晶粒或不同相的物理性能差异——比如热膨胀系数不同的两相在温度变化时，因收缩或膨胀不一致而相互约束，进而产生应力。举个例子：珠光体钢由铁素体和渗碳体组成，铁素体的热膨胀系数大于渗碳体。当材料冷却时，铁素体收缩更明显，但受到渗碳体的阻碍，会在铁素体中产生残余拉应力，渗碳体中则产生残余压应力。这种应力虽然只存在于两相界面附近，却会影响材料的局部强度和韧性。二、残余应力的分类（二）微观残余应力微观残余应力的作用范围局限在材料的微观结构中，根据作用对象的不同，又可分为两类：02.晶内亚结构应力（第三类残余应力）晶内亚结构应力是作用尺度最小的残余应力，主要存在于晶粒内部的亚结构中，比如位错周围、孪晶界或缺陷区域，作用范围通常在纳米级到亚微米级。它的产生与材料的塑性变形密切相关——当材料发生塑性变形时，位错大量增殖并相互纠缠，形成不均匀的变形区域，进而产生应力。例如，金属材料经过冷加工（如冷轧、冷拔）后，晶粒内部会积累大量位错，位错之间的相互排斥或吸引会形成局部应力场，这就是典型的晶内亚结构应力。这类应力虽然范围微小，但密度极高，对材料的微观性能影响显著，比如会导致材料的硬度升高、塑性下降（加工硬化现象）。二、残余应力的分类（二）微观残余应力总结来说，三类残余应力的核心区别在于作用尺度：宏观残余应力影响构件整体，微观结构应力作用于晶粒或相之间，晶内亚结构应力则存在于晶粒内部。在实际检测中，宏观残余应力可以通过X射线衍射、应力应变片等方法测量；而微观残余应力则需要借助透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）等微观设备观察分析。了解残余应力的分类，是理解其对材料质量影响的基础。接下来，我们将详细探讨不同类型的残余应力如何影响材料的各项性能。材料质量的影响PARTTHREE三、材料质量的影响渗碳件的残余应力分布对疲劳强度的影响预先加工（拉伸、扭转和两者组合）对直径为6.35mm的碳钢材料的载荷-伸长率曲线的影响a）ωc=0.14%b）ωc=0.59%；1~6试样加工前正火处理三、材料质量的影响（一）残余应力对静强度的影响1—正火状态2—伸长3.75%，时效3—伸长7.5%，时效4—扭转17°43′/cm，时效5—扭转17°43′/cm+伸长2.5%，时效6—伸长5%+扭转8°40′/cm，时效7—退火状态8—扭转8°40′/cm，时效9—伸长2.5%，时效10—扭转8°40′/cm，时效12—扭转12°24′/cm+伸长1.25%，时效13—伸长2.5%+扭转8°40′/cm，时效三、材料质量的影响（二）残余应力对塑性、韧性的影响当残余拉应力使屈服点下降，而强度性能变化不大时显然就使材料的伸长率增加了。而残余压应力的作用当然是相反的。一般来说，塑性好的材料韧性也好。可以认为残余应力是通过对强度的影响来对塑性、韧性起作用的。三、材料质量的影响（三）残余应力对硬度的影响内应力与硬度的关系三、材料质量的影响（三）残余应力对硬度的影响T10钢残余应力对表面硬度（HV）的影响壁厚/mm未冷处理冷处理后表面残余应力5865880拉应力大10880895拉应力小15888950压应力小20888960压应力大三、材料质量的影响（四）残余应力对磨损的影响磨损率与附加应力的关系1-2.94N（拉伸）2-8.82N（压缩）3-5.88N（拉伸）4-5.88N（压缩）5-5.88N（垂直于拉应力）三、材料质量的影响（四）残余应力对磨损的影响灰铸铁残余应力和硬度随退火温度的变化三、材料质量的影响（五）残余应力对疲劳的影响01.残余压应力提高工件的疲劳强度三、材料质量的影响（五）残余应力对疲劳的影响回火温度与高频淬火试样的表面残余应力及疲劳特性的关系1—疲劳极限

2—显微疲劳裂纹萌生02.残余应力对疲劳极限影响的机理三、材料质量的影响（五）残余应力对疲劳的影响02.残余应力对疲劳极限影响的机理喷丸处理对高强度铝合金缺口疲劳裂纹扩展行为的影响渗碳试样的强度和承载能力示意图三、材料质量的影响热处理对焊道残余应力和应力腐蚀开裂的影响1—残余应力2—开裂数（六）残余应力与腐蚀金属的冷加工程度（扭转次数）对腐蚀速率的影响总结1.何为残余应力。2.残余应力按作用范围分为宏观残余应力、微观结构应力和晶内亚结构应力。3.残余应力对材料质量的影响具有两面性。4.残余应力的影响机理本质是“应力叠加”和“微观结构调控”。《材料成型检测技术》2.残余应力的产生CONTENTS目录01残余应力产生的根本原因02热处理时的残余应力03热处理工件的残余应力分布及影响因素04表面淬火工件的残余应力05化学热处理工件的残余应力06焊接残余应力残余应力产生的根本原因PARTONE一、残余应力产生的根本原因不均匀相变03不均匀塑性变形01不均匀温度场的热效应02热处理时的残余应力PARTTWO二、热处理时的残余应力（一）热应力圆柱体试样在加热和冷却时热应力的变化a）加热b）冷却二、热处理时的残余应力（二）组织应力圆柱体钢样淬火时组织应力的变化热处理工件的残余应力分布及影响因素PARTTHREE三、热处理工件的残余应力分布及影响因素碳含量对完全淬透的圆柱体钢样残余应力的影响（铬钢，φ18mm，850℃水淬）1-ωc=0.98%2-ωc=0.51%3-ωc=0.33%4-ωc=0.20%三、热处理工件的残余应力分布及影响因素

ωc=0.30%碳钢圆筒试样从865℃水淬时产生的残余应力（φ50mm×24mm试样）a）从孔内淬火b）从外表面淬火c）内外面同时淬火表面淬火工件的残余应力PARTFOUR四、表面淬火工件的残余应力高频淬火时残余应力形成机理示意图a）加热后b）加热并冷却后四、表面淬火工件的残余应力淬火层深度与表层最大压应力的关系试验用钢的化学成分（质量百分数）1—0.44C—0.24Si—0.73Mn2—0.12C—0.20Si—045Mn—1.3Cr—4.45Ni—0.85W3—0.39C—0.26Si—0.65Mn—0.68Cr—1.58Ni—0.16Mo4—0.38C—0.28Si—0.99Mn—1.33Cr—0.36Mo四、表面淬火工件的残余应力

Cr12型马氏体不锈钢板状试样局部高频淬火的残余应力分布a）测试部位b）残余应力分布化学热处理工件的残余应力PARTFIVE渗碳淬火工件的残余应力（切向）分布五、化学热处理工件的残余应力焊接残余应力PARTSIX六、焊接残余应力a）在xoy平面上等温线及温度分布b）在yoz平面上等温线及温度分布半无限大物体表面上运动热源的温度场总结1.残余应力产生的三大根本原因：不均匀塑性变形、不均匀温度场的热效应、不均匀相变，所有工艺中的残余应力都源于此。2.不同工艺中，残余应力的产生各有侧重：热处理同时涉及热应力和组织应力；表面淬火和化学热处理主要源于不均匀相变；焊接则主要源于不均匀温度场。3.理解产生机制是控制残余应力的基础：比如知道焊接残余应力主要是拉应力，就可以通过去应力退火消除；知道表面淬火能产生压应力，就可以利用它提高零件疲劳强度。《材料成型检测技术》3.残余应力的测定CONTENTS目录01残余应力的特点02常用残余应力测定方法03X射线应力测定法04总结残余应力的特点PARTONE一、残余应力的特点残余应力具有“双面性”：合理利用能提升性能，控制不当则会导致失效。但这种“双面性”的前提是——我们必须知道残余应力的大小、方向和分布。残余应力的核心特点决定了测定的必要性：隐蔽性：它存在于无外载荷的材料内部，无法通过肉眼观察，必须借助专门手段才能“感知”。复杂性：分布不均匀（如焊接件焊缝处应力高、远离区域低），类型多样（宏观、微观应力共存）。动态性：会随温度、时间或外部载荷变化（如热处理可释放部分应力）。常用残余应力测定方法PARTTWO二、常用残余应力测定方法（一）钻孔法测定方法如下：（1）根据应力分析需要和打孔的可能在工件上选择适当位置进行测量。然后用测量工具准确地标定出孔中心和应变片的中心和方向。在贴片前需将所测部位表面打磨抛光。（2）按确定的位置和方向粘贴应变片，用导线连接至电阻应变仪。按电阻应变仪测定的规程进行测定。二、常用残余应力测定方法（一）钻孔法测定方法如下：（3）然后钻孔，直径一般小于2毫米，为了减少附加应力和发热的影响，孔可分为两次钻削，先钻一小孔，再扩至所需直径。钻头需锋利，进刀量不能太大。一般不超过0.1~0.15毫米/min。（4）取三点A，B，C测得三个方向的径向应变ε′ra、ε′rb、ε′rc代入计算公式即可求出残余应力。二、常用残余应力测定方法（二）不通孔法为了减小所钻小孔对工件的破坏，可用钻不通孔的方法。根据理论分析和实测证明，当孔的深度超过孔直径的二倍后，对孔周边表面的应变无任何影响。即当孔深大于二倍直径后应变片测量值无变化。所以在孔深大于二倍直径条件下，对于不通孔仍可用通孔的公式。为了减小孔的破坏，孔径可尽量减小，这样孔深也可减小。如孔径为2mm时孔深为4mm而孔径为1mm时其孔深就只需2mm。目前还有采用浅不通孔法，即孔深小于二倍直径。这时的三个方向的径向应变ε′ra、ε′rb、ε′rc计算公式中的A，B系数值随孔深变化。因此必须将该材料A，B系数随孔深变化的规律求出才能测定。而目前还找不到解析法，只能用实验法和有限元法进行标定。实验法精度难以保证，有限元法则非常麻烦。二、常用残余应力测定方法（三）脆性涂层法它是在孔周涂覆0.5~2mm厚度的脆性涂层，然后钻孔。由干产生的位移和应变将使涂层产生裂纹，理论上说裂纹的形态和应力方向相应，而裂纹的长度大小和应力大小有关。但目前此方法的定量分析还只是理论上的，其测量精确度难以保证。二、常用残余应力测定方法（四）磁性法本方法只能用于钢、铁类铁磁性物质，它是利用这类物质的磁弹性效应来测定材料表面1~2mm层深的残余应力。X射线应力测定法PARTTHREEX射线衍射法测应力原理图三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（一）X射线衍射法测应力原理三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（二）X射线应力测定装置X射线应力测试仪便携式X射线应力测定仪

X-350A型X射线应力测定仪（适合于大中型工件的测量装置）三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（二）X射线应力测定装置三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（三）试样表面处理在X射线应力测定技术中，试样表面处理是关键问题之一。因为用X射线衍射法测定残余应力时，所用X射线一般不属硬射线，在金属表面的有效穿透深度通常为几微米至几十微米，所以测得的应力就是这个深度内应力的加权平均值。显然，试样表面状态对测量结果有决定性影响。依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行表面处理。采用适当的方法清除油污、氧化皮和锈斑总是必需的。三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（三）试样表面处理这里应注意一下事项：①砂磨过程应当由粗到细，逐级进行；②为了达到一定的剥层深度，可以采用电解抛光的方法，在接近预设深度时抛光电流应适当减小，以降低抛光面的粗糙度；③对于石墨和碳化物含量较高的铸铁材料，在到达要求的层深之前，用金相砂纸轻磨，除去抛光面残留的石墨和碳化物，待显露金属光泽，最后用较小电流密度（例如不大于5安培/cm2）作电解抛光，根据经验，抛光时间每平方厘米一般不要超过2秒。固定ψ法和固定ψ0法测应力示意图三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（四）测量方法01.固定ψ法和固定ψ0法同倾法和侧倾法测应力示意图三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（四）测量方法02.同倾法和侧倾法三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（四）测量方法03.摆动法对于粗晶材料，在有限的X光照射区域以内，参与衍射的晶粒数目较少，衍射晶面法线在空间不成均匀连续分布，因而衍射强度较低，峰形较差，难以达到应有的测量精度。为此就要用到摆动法。三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（四）测量方法03.摆动法摆动法的要点是这样的在以步进的方式作2θ扫描的过程中，在每一个接受角2θ停留反射X射线时，保持2θ角不变，使2θ平面以指定的ψ方向为中心，在ψ平面内左右摆动一定的角度△ψ。再明确地说，是在摆动中计数。这里讲的是固定ψ加摆动法。摆动法的实质是把相应于ψ±△ψ这样一个角度范围的衍射峰相叠加，近似的当作指定的ψ角的衍射峰，客观上增加了参与衍射的晶粒数，把一些衍射强度较低而且峰形较差的峰叠加称为较为丰满、较少波动的峰，从而提高了粗精材料的应力测量精度。三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（五）数据处理01.背底处理背底处理示意图衍射峰的背底是一些与测量所用的布拉格衍射无关的因素造成的。扣除背底是提高定峰和应力测量准确性的必要步骤之一。三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（五）数据处理02强度因子校正03半高宽法定峰04抛物线法05重心法06交相关法三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（六）用X射线法测定应力中存在的问题在平面应力的假定下，由2θ-sin2ψ直线的斜率来求宏观应力，是常规的应力测定方法。但在测量中往往发现其2θ-sin2ψ关系偏离线性，呈曲线、分裂或波动现象，这表明在材料中存在应力梯度、垂直表面的切应力或织构。“ψ分裂”是指在ψ和-ψ方向测定得到不同的2θ(ε)值，使2θ-sin2ψ曲线分成两支。我们知道，这是垂直于表面的切应力σ13、σ23≠0的结果。对此问题的粗略处理是取±ψ测量值的平均，计算平均的应力值。在应力的Ｘ射线测定中，还可能存在2θ-sin2ψ关系的“振荡”现象，表明材料中存在明显的织构。在实验过程中可选用高衍射角，低对称性的高指数衍射面衍射线，这样的衍射线较少受织构的影响。三、X射线应力测定法(GB7704-2008)（七）残余应力测量实验方法的发展近年来，有人采用中子衍射法和同步辐射X射线透过法来测量材料深度的残余应