【摘 要】：通过对尺寸不稳定性产生原因的分析，得出解决工件尺寸稳定性问题，即是怎样进行残余应力消除的问题。介绍了拉伸或压缩法、振动时效法、脉动法、恒温时效法、反淬火法、冷热循环法、形变热处理法、深冷处理法、磁场处理法等金属材料与制件尺寸稳定化处理工艺，分析了各种尺寸稳定化处理工艺的机理、特点、适用范围。
1.引言
金属材料与制件自发改变形状和尺寸的能力是确定机器与仪器的精度和可*性不断增长的要求的重大障碍。因此，如何提高金属材料与制件尺寸稳定性一直是人们研究的热点。
机械领域中的尺寸稳定性问题一般是指*件在恒定或非恒定环境下所发生的尺寸或形位微小不可逆的变化（Irreversible Micro-dimensional Changes）结合工程实际，我国学者对尺寸稳定性作了如下定义：尺寸稳定性是表示材料在热处理与加工完毕后，在工作环境条件下不受外力作用或在低于弹性*限的应力作用下抵抗*变形的能力；以及在加工过程中保持尺寸不变的能力。
2.尺寸稳定性的类型：
前苏联及国内研究者常将材料尺寸稳定性划分为两类：
（1）无负载下的尺寸稳定性：又可分为恒温和变温条件下的尺寸稳定性。
（2）负载下的尺寸稳定性：又可分为短时负载下的微屈服强度和长期负载下的微蠕变抗力或应力松弛*限。
欧美研究者常将材料尺寸不稳定性划分为三类：恒定环境下的尺寸变化、非恒定环境下的尺寸变化、滞弹性引起尺寸变化。
还有其他的一些划分方法，但无论对尺寸稳定性如何划分，尺寸稳定性的研究都是针对无负载下的尺寸变化、微屈服强度、微蠕变、应力松弛等方面进行的。
3.对长期存放过程中尺寸不稳定性产生原因的分析
一般认为，长期存放过程中金属尺寸的自发变化是以下两个因素的结果：
①材料的相与组织状态的不稳定性；
②在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在机械装配操作时*件中发生残余内应力的松弛。
是*一种因素还是*二种因素在尺寸自发变化过程的发展中起重要作用，取决于材料的性质及其组织状态。在具有稳定的相成分的合金*件中，尺寸的变化与内应力的松弛有关。在具有亚稳定组织的合金中，尺寸的变化是两种因素同时作用的结果。这时相与组织的转变急剧地加强残余内应力的松弛过程。同时内应力又对相与组织的转变起激活的影响，使其达到较平衡的状态。
Paquin等人认为性能的不均匀性--各向异性也是尺寸不稳定性的另一内因。大部分材料在制作时不可能确定完全各向同性或均匀性，即存在各向异性。材料的各向异性会导致材料在加热过程中诱发残余应力的松弛，从而引起尺寸变化。
4. 尺寸稳定化处理工艺
尺寸稳定化处理的方法一般有机械法、热处理法以及磁场处理等，各种方法的效果不尽相同。
4.1 机械法
4.1.1拉伸或压缩法
对形状简单的*件，淬火处理后利用其塑性变形高的特点在整个截面上进行*性均匀塑性变形，使外加应力与残余应力进行叠加而产生塑性变形，使残余应力得以缓和和释放。另外，通过这一过程,不仅可以降低*件毛坯的残余应力,而且可以使得材料各向同性、组织均匀,抗拉强度和屈服强度及抗微塑性变形能力得以提高,以提高*件毛坯的尺寸稳定性。
4.1.2振动时效法
利用激振器使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。振动时效的机理是一个复杂的过程。有塑性变形理论、疲劳理论、晶格错位滑移理论、能量观点及材料力学观点等。目前尚无定论。*们倾向于用材料力学的重复应力过载的观点，解释振动时效的机理。即作用在元件上的振动应力与其内部的残余应力相互作用，使残余应力松弛并释放。
其效果取决于激振器、工件支点位置、激振频率和时间。振动时效工艺的特点是：能耗低，周期短，效果好，不损坏元件表面，而且操作简单，也没有高温回火时金属表面氧化等问题。
4.1.3脉动法
通过在*件上施加载荷、频率、呈现周期性变化的循环载荷，可有效释放*件的残余应力，提高尺寸稳定性效果较为明显。在脉动的过程中，脉动应力和宏观残余应力这两个应力对位错的运动起着不同的作用。脉动应力起着活化位错的激活作用，脉动应力升降可使位错往返运动，处于被激活状态；而宏观残余应力则起着推动已被激活了的位错，作定向运动，产生定向塑性变形从而使宏观残余应力自身被去除一部分的作用。脉动法不会破坏其它力学性能，同时还克服了热时效在残余应力再生方面的缺点。
4.2 热处理法
4. 2. 1恒温时效法
长时间时效是降低残余应力*常用的方法之一。该方法是将材料加热到温度下进行保温，然后空冷。开始应力降低速度较快，随后应力下降速度减慢。加热温度越高，时间越长，应力降低效果越明显，要注意的是，对于时效强化合金，加热温度超过时效温度后，将会显著软化，微塑性形变抗力相应降低。
恒温时效法的机理是通过塑性变形松弛应力，因为残余应力是弹性应力，它正比于弹性模量E和弹性应变量ε，即σ=E·ε。当温度升高时，E值降低，残余应力也会相应减少。
4.2.2反淬火法
国内也称深冷急热法。它是将含有残余应力的*件投入温度为-196℃的液氮中，待冷透后迅速转移至沸水中或用高速蒸汽喷射*件。因为深冷与急热产生的应力方向相反而相互抵消，达到释放残余应力的目的。试验表明，采用液氮--高速蒸汽法可降低残余应力84%，采用液氮--沸水法可降低残余应力50%。
因急热很难使复杂形状*件的各个面获得相同的升温速度，所以只适用于简单形状的*件。
4.2.3冷热循环法
这是一种将时效和冷处理相结合反复多次的方法。在循环过程中不断产生的热应力与原始残余应力相叠加，超过材料的屈服强度而发生塑性变形，从而使原始残余应力降低。
多年来，人们发现结构件在变温环境中较在恒温环境下更易于发生尺寸及形位的变化，因此，希望*件在加工完毕或装表之前，尽量完成这种变化过程，以至于在存放及使用过程中不再发生这种变化，而确定尺寸稳定性，故自然地形成了“老化训练”的概念(所谓老化训练，是指*件在加工完毕或装表之前，对其进行冷热循环处理，以达到尺寸稳定化的目的。) 目前，制导系统中的*、组件的尺寸稳定化处理大多采用这种方法。
冷热循环稳定处理的规律是：随着循环次数的增加，残余应力降低幅度*大，三次循环后残余应力趋于稳定；上限与下限温度间隔越大，降低残余应力的幅度越大。效果如此明显，一是因为加热时原子热运动能量增加，点阵畸变减小或消失，内应力降低，上限温度越高，原子热运动越大，塑性越好，,越有利于残余应力释放。二是因为冷热温度梯度产生的热应力与残余应力相互作用，使残余应力重新分布，而获得下降效果。材料经过冷热循环稳定处理工艺，得到的组织结构稳定，微量塑型变形抗力高，尺寸稳定性好。
4.2.4形变热处理法
是把塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺紧密结合起来的一种热处理方法。它可以使钢同时受到形变强化和相变强化，可以大大提高钢的综合力学性能。形变热处理是借助于形变时效机理闭锁位错来提高组织的稳定性。
分析认为，多次形变热处理后试样低的松弛强度与金属精细组织没有足够的稳定性有关；而多次形变热处理后在再结晶温度以下附加退火，可以更充分地稳定组织，因而急剧提高金属在短时和长期负载下的微塑变抗力.为了得到高的微塑变抗力指标，仅靠多次形变热处理和在100－200℃中间时效时形成的位错聚积的闭锁是不够的，须借助于更完全的回复，在能量上较有利的状态下在位错聚积中发生位错的重新分布。形变热处理法可以有效提高材料微塑变抗力。
4.2.5深冷处理法
通常是指在以液氮为制冷剂、-130℃以下对材料进行处理，从而达到给材料改性目的的一种方法，它是常规冷处理（CSZ）的一种延伸。该方法在有效消除残余应力的同时，可改善（至少不降低）材料的强度、硬度、耐磨性和组织稳定性。由于深冷处理对*件的尺寸与形状没有限制，因此适合于形状复杂的模锻件与铸件。
深冷处理可使材料组织中的奥氏体进一步转变成马氏体，残余奥氏体含量降低。深冷处理促使超微细碳化物从马氏体中析出，将导致应力释放降低残余应力。低温冷却的收缩可使材料本身存在的微小缺陷（如微孔、应力集中部位）产生塑性流变；复温过程中在空位表面产生残余应力，这种残余应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害，*终表现为材料抗力的提高。残余奥氏体含量降低、残余应力的降低、材料抗力的提高均使得深冷处理后*件的尺寸稳定性提高。
4.3 磁场处理法
以非热方式消除金属中残余应力的技术，称为脉冲磁处理（PMT）。脉冲磁处理方法是一种新近发展起来的降低钢铁材料中残余应力的方法。其主要通过动态磁场与铁磁性材料相互作用来改善工件中残余应力分布:根据钢铁材料磁致伸缩的特点,在外磁场的作用下,在其内部产生磁致伸缩,随着外磁场的*大,磁致伸缩会发生从正磁致伸缩到负磁致伸缩的转变,因此,处于动态磁场中的钢铁试样会在其内部产生磁致振动。磁致振动与材料中局部区域内应力的共同作用,有可能驱动该区域内的位错摆脱材料中质点的钉扎,产生运动,引发滑移,形成局部的微区塑性变形,从而使得材料中的残余应力得到松弛。对脉冲磁处理降低残余应力的研究表明，带有残余应力的钢铁构件经受脉冲磁处理后，残余应力的*大下降量可达初始残余应力水平的40%以上。这是提高尺寸稳定性工艺的一个新研究方向。
5.结语
通过对长期存放过程中尺寸不稳定性产生原因的分析，可知：（1）提高金属材料与制件的微塑性形变抗力是稳定化处理的主要任务。为了要在短期与长期负载下有高的微塑性形变抗力，须确定在金属的所有显微体积内有高的位错结构稳定性和相状态的稳定性。
（2）降低残余内应力是稳定化处理的重要任务。金属材料与制件的应力分别为：产生于机械加工的机械加工应力，不均匀加热引起的热应力，由显微组织铁素体、奥氏体和马氏体的组织变形产生的组织变形应力。要提高工件尺寸稳定性，须考虑在金属工艺实施过程中如何防止或少产生残余应力，以及如何释放和消除残余应力。
