残余应力是什么，它有哪些危害呢？

残余应力是指在没有对物体施加外力时，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。其产生原因就是零件的某些部位和形状产生了某些变化的结果。用能量作功的方法可以加深对残余应力的认识：外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓慢地变形，即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧失，直到能量全部施放出来为止，变形结束。

残余应力是一种内应力，有内应力的工件，是处于一种不稳定状态，其内部的组织有强烈地恢复到没有内应力的稳定状态的倾向。工件的形状逐渐发生改变（如翘曲变形）从而丧失其原有精度。如果将存在内应力的工件装配到机器中，则会因其在使用中的变形而破坏整台机器的精度。

残余应力的来源

外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功，以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后，应力不均匀的能量就会释放出来，使零件缓慢地变形，即残余应力作功，直到能量全部释放出来为止。在机械制造中，各种工艺过程往往会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：

（1）不均匀的塑性变形；

（2）不均匀的温度变化；

（3）不均匀的相变。

残余应力的分类

按应力产生的原因分类有：

(1) 热应力

铸件各部分的薄厚是不一样的，例如机床床身导轨部分很厚，而侧壁筋板部分较薄。铸造后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。这时，铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变厚，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。铸件逐渐冷却时，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变厚。而薄壁部分仅发生弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似于上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

(2) 相变应力

常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀 ，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于塑性状态，应力虽然不断产生， 但又不断被塑性变形所松弛，因此应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(即γ-Fe变为a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃ 和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反， 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不再产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。

(3) 收缩应力(亦叫机械阻碍应力)

铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。

按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：

①　第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1%左右。

②　第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。

③　第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存的绝大部分能量（80%~90%）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到具有最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的恢复及再结晶过程。

残余应力对机械零部件的影响

（1）引起物体尺寸和形状的变化。当在变形物体内存在残余应力时，则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，此相应的变形也会发生变化，引起物体尺寸和形状改变。

（2）缩短零件的使用寿命。因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有残余应力的物体受载荷时，在物体内有部分的工作应力，为外力所引起的应力与此残余应力之和，有部分为其差，这样就会造成应力在物体内的分布不均。此时，工作应力达到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变形，达到材料的断裂强度时，物体就会产生断裂，从而缩短了零件的使用寿命。

（3）降低了金属的塑性、冲击韧性。当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，由于残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布，提高金属的变形抗力，降低塑性。

（4）降低金属的耐蚀性和疲劳强度等。由于零件内部的残余应力，使其处于高能量状态，易与氧化介质发生化学作用，造成腐蚀，即应力腐蚀，从而降低了零件的耐蚀性，残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布，降低了疲劳强度。

残余应力对零件切削加工影响

对切削加工过程的影响车削零件的毛坯，一般为铸件、锻件、型材和经过热处理的半成品，由于毛坯在形成的过程中，有过温度的剧烈变化及受力变形，因此内部具有残余应力，在切削时形状发生变化，原应力平衡状态被打破，导致了切削过程的变形。

1.产生切削残余应力

金属的切削，实质上是工件受刀具的挤压和摩擦，使工件表面产生弹性变形和塑性变形，切削从母体分离的过程。在切削过程中，工件受到切削力，产生切削热而使切削温度上升，切削完成后，工件的已加工表面即产生了残余应力，导致工件在后续使用中发生变形，精度降低，使用性能和下降，使用寿命缩短。

2.影响残余应力的因素

（1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件温度上升，残余应力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，残余应力也越大。

（2）刀具角度。增大刀具的前角，刃倾角，可使刀具锋利，减小切削力。

（3）切削液。切削液具有润滑和冷却作用，在加工中使用切削液，可减小切削力和降低切削温度，从而减小残余应力。

减小和消除残余应力的措施和方法

1. 采用合理的工艺结构

在零件的设计时，采用合理的工艺结构，避免厚薄不匀，尖角结构等，铸件宜使用铸造圆角。

2. 合理安排工艺路线

对于精密零件，粗、精加工分开。对于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行，故粗加工后先将工件松开，使其自由变形，再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。

3. 采用合理的切削条件

在零件的精加工时，使用较小的切削和走刀量以及较高的切削速度，使用锋利的刀具和使用切削液进行润滑冷却，以减小切削力和降低切削温度，减小残余应力。

4.采取时效处理技术

（1）自然时效处理。是指将焊接工件放置在自然环境中，依靠材料内部自身的弛豫过程逐渐减小残余应力的方法。消耗时间长，且效果不稳定，不适用于所有材料和情况。

（2）热时效处理。这是目前经常使用的一种方法，但其投资和能源消耗都较大，使生产成本增加，而且精加工后零件进行加热时效，有可能产生氧化而影响表面品质。

（3）振动时效处理。这是消除残余应力、减少变形、保持工件尺寸稳定的一种新方法。可用于铸造件、锻件、切削加工工件等。它是以激振的形式，将机械能加到含有大量残余应力的工件内，引起工件金属内部晶格错位蠕变，使金属的结构状态稳定，以减少和消除工件的内应力。不需庞大的设备，经济简便，效率高。交流频谱谐波时效技术是在此机床上的发展，能消除60-70%的应力，在稳定尺寸和形状精度上非常有效。