1 概述

 

金属材料在经过各种冷加工、热加工成形时，将承受外力和热的作用。而当加工结束、外界作用因素消除后，在工件内部仍会在整体或一定范围内保留一定的内应力，称为残留应力。残留应力的存在对零件的尺寸稳定性、变形、开裂及材料的力学性能将产生巨大影响，所以它是影响机械零件质量稳定的重要因素。因此有必要了解残留应力在加工过程中如何产生；应力大小和分布与工艺的关系；如何调整其分布或减小其数值；如何对其进行定性、定量的测定。

 

本期将主要对热处理和表面强化处理（喷丸、表面滚压等）的残留应力进行全面介绍（产生、分布、影响因素和测定方法）。

 

1. 1 残留应力的分类

 

残留应力的类型一般是以其保持平衡的尺度范围大小来区分。

第一类：在工件整体内或宏观范围内达到平衡的残留应力称为宏观残留应力，在工程中常简称为残留应力。

第二类：在工件内几个晶粒范围内达到平衡的残留应力（如塑性变形后晶间应力、相间应力等等）称为微观残留应力。

第三类：在工件中大量原子面、原子列附近达到平衡的残留应力（如晶格中的各种缺陷）称为超微观残留应力。

由于第二、三类残留应力对工件质量和性能的影响尚无确切结论和明显作用，也没有应用其解决生产实际问题的实例，所以本期只介绍第一类宏观残留应力的有关分析和测定技术。

 

一般这三种残留应力是同时产生和存在的，它们之间共存的状态见图1。从图1可以看到第一类宏观残留应力在图中所示的几个晶粒的范围是用一条水平线表示的固定值。而第二类应力则在晶粒内是水平线表示的固定值，但晶粒间数值不同，在多个相邻晶粒间达到平衡。第三类应力由于平衡范围小得多，在晶粒内则是显示成曲线分布。

 

图1 三类残留应力共存示意图

 

 

1. 2 残留应力与质量控制的关系

 

1.2.1 残留应力对材料力学性能的影响

 

1 残留应力对静强度的影响 残留应力只是作为预应力施加在零件上，从而对材料的屈服强度产生影响。残留压应力使屈服点上升，残留拉应力则使其下降。图2所示为预先加工（拉伸、扭转和两者组合）对直径为Φ6.35mm的碳钢材料的 “载荷-伸长” 率曲线的影响。从图2中可知材料的屈服强度变化很大，但抗拉强度性能指标却无大变化。其原因是残留应力不能改变材料的组织状态，因此无法改变材料的性能。一旦外力作用超过材料当时的屈服强度将产生塑性变形，立即使残留应力释放，它的预应力作用就下降或消失了。

 

图2 预先加工（拉伸、扭转和两者组合）对直径为66. 35mm的碳钢材料的载荷一伸长率曲线的影响

 

2 残留应力对塑性、韧性的影响 

 

前面已指出，残留应力对屈服点影响很大，而对抗拉强度的影响很小；而塑性指标伸长率则恰好就是在屈服后到破坏前的塑性拉伸量。因此当残留拉应力使屈服点下降，而抗拉强度性能变化不大时显然就使材料的伸长率增加了。而残留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。可以认为残留应力是通过对强度的影响来对塑性、韧性起作用的。

 

3 残留应力对硬度的影响 

 

当前的硬度测试方法都是压入法，即用坚硬的钢球或金刚石锥体向被测物体中压人。所以测硬度实际上是和材料的强度分不开的。显然屈服强度越高的材料反映在硬度上也会越高。如图3所示，将钢板弯曲变形，使其一面产生残留拉应力，另一面是残留压应力。测量不同大小残留应力的洛氏硬度HRB, 其结果反映出残留拉应力使硬度测定值下降，残留压应力使硬度测定值上升。将T10钢淬火后冷处理，当材料壁厚不同（5~20mm) 时，由于淬透层不同，则使表面产生的残留应力不同。5mm钢板全截面淬透表面是残留拉应力，而20mm 钢板由于50%以上厚度心部未淬透而使表面为残留压应力。测量其硬度HV值，也同样得到残留压应力使硬度升高的结果。当然对硬度影响更大的是冷处理时的残留奥氏体的转变量。

 

图3 洛氏硬度和弯曲应力

注：材料为退火钢板，硬度为HRB

 

4 残留应力对疲劳强度的影响 

 

残留应力对动载荷下的材料疲劳强度有很大影响。在弯曲、扭转、拉压等交变载荷下，疲劳裂纹萌生在截面上最大拉应力处，而多数情况下是在工件表面层。因此，当在工件表层存在一个残留压应力层时，就将增大疲劳裂纹的极限裂纹深度ac和降低裂纹扩展速度da/dN, 延长裂纹萌生期N0,从而可提高疲劳强度σ-1 , 延长疲劳寿命Nf 。材料表面层的残留压应力对疲劳强度的影响不仅和其数值大小有关，还和它在交变载荷下的衰减速度有关。而这又和材料及产生残留应力的方式有关。对于低、中碳钢，用表面化学热处理（渗碳、渗硼、渗氮等等）得到的表面残留压应力层抗衰减能力很强，而表面强化的（喷丸、滚压等）则衰减较快。如45钢光滑试样，退火状态的σ-1 =213MPa, 喷丸后为235MPa, 提高10%。而将其表面高频感应加热淬火（200℃回火）， 则其疲劳强度σ-1 , 可达到676MPa, 提高217%。对此类钢材的研究结果证明，凡|σb压｜／σb拉≈1的钢材，仅用表面强化技术达不到大幅度提高疲劳强度的目的。而高碳钢和合金钢就不同了，表面强化也可大大提高疲劳强度。例如将w (C) =0. 95%的高碳钢喷丸后，σ-1可提高50%；w (C) =0.37%、w (Mn) =0. 90%、w (Cu) =0.25%中碳低合金钢喷丸也可使σ-1, 提高50%。而低碳高合金的1Cr18Ni9Ti钢喷丸可使σ-1 , 提高70%。所以对不同材料如何采用最有效、最经济的办法来提高疲劳强度是设计时必须注意的问题。

 

1.2.2 残留应力对变形开裂的影响

 

1 残留应力分布与变形形态 

 

由于残留应力的不同分布导致零件变形。零件中处于残留压应力的区域必然产生压缩弹性变形，而处于残留拉应力的区域则为拉伸弹性变形。这种不同分布的弹性变形，使得零件的形状和尺寸产生偏差。如残留应力的分布是对称的，则产生的变形也是对称的。但由于热处理工件形状的不规则、壁厚的不一致、冷却的不均匀等，均会造成残留应力分布的不均匀。从而造成变形的不均匀，产生扭曲、翘曲等不规则变形，为热处理生产带来麻烦。

 

2 残留应力与开裂 

 

工件淬火时由于冷却过程中某处的瞬态应力超过了材料的断裂强度，使材料发生开裂。开裂产生后，其附近区域的应力值因应力释放而大大降低，使裂纹不再扩展。如果冷却过程中裂纹尖端一直存在较大拉应力时，会使裂纹扩展到整个截面，使工件断裂报废。

 

2 残留应力的产生

 

2.1 残留应力产生的根本原因

 

2.1.1 不均匀塑性变形

 

当工件承受复杂载荷（如冷轧、拉拔、挤压以及表面喷丸、滚压等）的作用时，截面上受力不均匀，受力大的地方可能产生塑性变形，而受力小的地方可能仍是弹性变形。不同部位的塑性变形程度也因受力大小不等而不同。卸载时，拉伸了的部位受压缩应力作用，与之相邻的部位受拉伸应力作用。压缩了的部位受到拉伸应力作用，其相邻部位就受到压缩应力作用。这些不均匀塑性变形使工件内产生残留应力。

 

2.1.2 不均匀温度场的热效应

 

在热加工过程中，加热和冷却过程是复杂的，其中常常是快速加热和冷却及局部加热和冷却。而且无论是加热还是冷却，都是只能通过表面传递热量来进行。工件加热、冷却时因温度不均匀必然造成温度高处热膨胀量大，温度低处热膨胀量小，因此相互之间就会产生作用力，这就是瞬态热应力。在不同数值瞬态热应力作用下，若某些区域应力值超过该处高温屈服极限，就会在此处产生塑性变形，由于温度的不均匀，所以此时的塑性变形也可能是不均匀的。当加热过程结束时，虽然已全截面冷至室温，但因加热过程中的不均匀塑性变形而产生残留应力。在塑性拉伸区将受压，产生压缩残留应力，与之相邻区域则产生拉伸残留应力。若瞬态热应力不产生不均匀塑性变形，则冷却后无残留应力。

 

2.1.3 不均匀相变

 

无论是铸、焊、热处理过程，热量的传递都是通过表面进行的，因此在冷却过程中必然在工件内产生不均匀温度场，从而使相变也不均匀。这种不均匀包括两方面。一种是相变的不等时性，即表层温度下降快先相变，然后向内扩展。而相变发生时常伴有比体积变化（如固体相变中的奥氏体向马氏体转变，比体积将增大1%左右）， 这时在已相变区和未相变区之间将除热应力外，还要因相变而产生的应力，称为相变应力。在马氏体相变时，马氏体区将受压，奥氏体区将受拉，这就是瞬态相变应力。若此瞬态相变应力不造成不均匀塑性变形，则全截面相变结束后将无残留应力存在。但实际上均会产生不均匀塑性变形，从而造成因相变不均匀产生的残留应力。另外一种情况，则是由于材料淬透性的限制，在零件尺寸较大时，会在心部产生未淬硬层，那么淬硬层体积膨胀，未淬硬层体积未膨胀，这样淬硬区和未淬硬区之间产生残留应力，这时相变过程中塑性变形往往起到降低残留应力的作用。

 

2.2 热处理淬火时的残留应力

 

2.2.1 淬火过程中的瞬态应力

 

1 热应力 

 

工件在淬火加热时经过保温后内部温度已均匀，因此不存在热应力。工件淬入冷却介质时，由于热量从表面向冷却介质中传递，在工件内形成瞬态温度场，造成工件各部位热膨胀量也随时间变化，形成瞬态热应力场。

 

2 相变应力 

 

随工件内温度的变化使得工件内各部位的相变不等时，已相变区的体积膨胀会对未相变区产生拉应力，而自身则受到压应力，这就是淬火过程中的瞬态相变应力。此时工件内温度仍较高，因此也极易产生塑性变形，显然此塑性变形也是不均匀的。图4所示为碳钢中不同组织的比体积随碳含量的变化。

 

图4 碳钢中不同组织的比体积随碳含量的变化

 

2.2.2 淬火残留应力的产生与分布

 

在淬火瞬态应力的作用下，工件内某些部位应力超过材料的高温屈服强度，将会产生塑性变形，再加上相变的不同时性最终造成残留应力。由于材料和热处理条件的不同，产生的残留应力分布也不相同。

 

1 热应力型残留应力 

 

这类残留应力分布的特点是外表层为压应力，心部为拉应力。当淬火无相变产生时（如奥氏体钢淬火）， 残留应力完全是热应力产生的，称这种分布为热应力型。但实际上有相变的淬火也可能出现这种分布的残留应力，我们将其统称为热应力型残留应力。

 

（1) 产生纯热应力型残留应力的条件。

 

材料的Ms 点低于室温或加热温度低于奥氏体化温度，冷却过程中不存在相变，产生的残留应力就一定是热应力型的。

 

（2) 无相变冷却时工件内的温度场、瞬态应力和残留应力。

 

加热的零件冷却时通过界面向介质传递热量，工件表面温度迅速下降，心部热量的散失很缓慢。有人对直径为Φ100mm的 Ni-Fe 试样进行测试，其结果如图5a）所示。其加热温度为850℃,在室温水中冷却。表面（R) 在数十秒内降到了200℃, 心部（K) 仍保持在800℃左右（如图中W处），此时心部和表面的温差达到600℃左右。其后随着心部热量的传出，温度快速下降。零件外表的温度由于心部热量不断传递，其下降速度大大降低，随着心部的热量逐渐减少，与表面的温差也越来越小，最后同时达到淬火介质的温度。从图可知，这时产生的残留应力为：表面（R) 为压应力，心部（K) 为拉应力。

 

图5 冷却时不含相变过程时产生的热应力R-表面  K-心部

 

2 相变应力型残留应力 

 

它是在淬火时无瞬态热应力，残留应力完全由瞬态相变应力产生。这是一种在生产实际中很少出现的情况，在分级和等温淬火中才能有近似的结果。为此有人作了试验，将含w (Ni) 为17%的钢材加热到900℃奥氏体化后，缓冷至300~400℃, 奥氏体保留不分解，待试样温度均匀后（即完全消除瞬态热应力）再缓缓冷却到Ms点以下产生马氏体相变。这时表层因马氏体相变而体积膨胀，它将受到未相变的心部的压应力，当然相邻的心部将受到拉应力。这时表层可能被塑性压缩使相变膨胀量减少；而心部被塑性拉伸，以后再相变时就比表面要多膨胀一些。这样在全部相变结束后表面和心部的应力状态就会反向，即表面受拉，心部受压。这就是典型的相变应力型残留应力分布。有人对直径为Φ50mm的w (Ni) 为17%的钢材，进行等温淬火（从900℃缓冷到300℃, 然后在水中淬火）， 测试其残留应力分布如图6所示。

 

图6 相变型应力分布形式

 

3 整体淬火时的残留应力

 

（1) 残留应力的产生。

 

实际的淬火过程大多是热应力、相变应力同时存在并相互作用，最后形成残留应力。因此材料的马氏体相变点 Ms和Mf对于残留应力的产生起着重要作用。当然，材料的淬透性、残留奥氏体量对残留应力的分布形态也有重大影响。由于过程很复杂，讨论极占篇幅。因此不再详述，读者可阅读有关专著。

 

（2) 整体淬火残留应力的分布如下：

 

1) 工件截面全淬透时，分别为以下情况：

①若材料Ms、Mf 点均很高，淬火后残留应力为热应力型。

②若材料 Ms 点较高，Mf 也高于室温，淬火后残留应力近似于相变应力型分布，但其表面残留应力近于零，在表层下产生拉应力峰。

③若材料Ms点较低，Mf点低于室温，则淬火后残留应力变为相变应力型分布。

④若材料的Ms 点也低于室温，则淬火后残留应力为热应力型分布。

2) 工件心部淬不透时，这时残留应力只呈现热应力型分布。

 

2.3 表面淬火的残留应力

 

2.3.1 残留应力的产生

 

1 表面淬火的特点 

 

它是表面快速加热后立即快速冷却的工艺过程。这时工件分为表面加热区、过渡区和心部未加热区三个部分。其中发生马氏体相变的只是表面的加热区。所以其残留应力产生主要是由于相变的不均匀性。但是由于它的加热过程和无相变整体加热、冷却不同，所以它的残留应力产生也更复杂，主要在过渡区会产生残留应力大幅度变化。

 

2 表面淬火的残留应力分布 

 

如前所述，表面淬火时，表面淬火层因马氏体相变而产生残留压应力，而心部为残留拉应力，过渡层恰好介于两者之间，其外侧为与表层压应力平衡的拉应力，而内侧则为与心部拉应力平衡的压应力。这就是在淬硬层内由于其内侧的马氏体转变晚于最表面，从而对最表面先淬硬的马氏体层产生拉应力，而显示出最表面压应力低头现象的原因。图7所示为45钢不同直径高频感应加热淬火后的硬度和残留应力分布。

 

图7 45钢不同直径高频感应加热后的硬度分布和残留应力分布

 

2.3.2 影响表面淬火残留应力分布的因素

 

在表面淬火过程中主要的影响因素是淬硬层的截面积和工件截面积之比。即表层压应力数值随比值的减小（即淬硬层越薄）而增大。图8 所示为40Cr钢的测试结果，同样在直径为Φ25mm的情况下，淬硬层越薄则残留压应力值越大。

 

图8 淬硬层深度对高频感应淬火残留应力的影响

 

此外，材料高温屈服强度越高，Ms 点越低则淬硬层压应力值越低。这两个因素的影响在各种热处理淬火过程中都存在。

 

2.4 表面化学热处理的残留应力

 

2.4.1 渗碳淬火的残留应力

 

1 渗碳淬火的特点

 

（1) 温度和热应力分布。渗碳淬火是整体加热、保温和冷却，所以其温度场和瞬态热应力场的分布变化状况和前述的整体淬火基本相同。

（2) 渗碳层中碳含量及Ms点的分布。由于渗碳层中的碳含量是从表面向内逐步下降到母材碳含量，即存在分布梯度，所以相应地存在马氏体点Ms从低向高分布的梯度。图9所示为两种渗碳钢淬火时温度的分布和Ms点的温度分布。

（3) 相变特点。渗碳淬火时马氏体相变不是从表层开始，而是从渗碳层和心部的过渡区开始的。从图9中各时刻渗碳层中温度分布曲线可看出，由于温度场梯度小于Ms点分布梯度，所以其交点在渗层最终点。马氏体相变也从此开始，然后向两边发展。这与一般的整体淬火以及表面淬火均不相同。当然这样也就使渗碳淬火的残留应力分布有自己的特点。

 

图9 渗碳钢淬火时温度的分布和Ms点的温度

 

2 渗碳淬火的残留应力产生和分布 

 

由于前述渗碳淬火时相变开始点的与众不同，因此它首先在渗碳层与基体交界处产生马氏体相变膨胀，使两侧产生塑性拉伸，而自身被塑性压缩，随后马氏体相变向两侧扩展时，已相变区（如图10中①区所示）变成刚性墙，使两侧的相变膨胀受阻，所以两侧受压，①区受拉使原来产生的压应力减少，其过程如图8-10所示。其中①、②、③、④区为不同时刻相变区，而1、2、3、4曲线为该时刻的应力分布，其中曲线4即为最后的残留应力分布。

 

图10 渗碳淬火钢急冷相变扩展时的相变区域和对应的应力分布

 

至于影响渗碳残留应力分布的因素则和表面淬火相同。即渗层面积与总面积之比越小，表面压应力越大。其次则是材料的高温屈服强度，其值越高则残留应力值越小。渗碳残留应力的最大特点是抗衰减能力极强。

 

2.4.2 渗氮、渗硼时的残留应力

 

这两种化学热处理的特点是处理的温度比渗碳低，处理后不再淬火，只是靠在工件表面形成高硬度的化合物（氮化物、硼化物）层来强化工件的表面。而产生的化合物层的比体积均远大于基体，所以产生后将受到基体巨大的压应力。而且化合物层深一般均小于0.1mm, 所以应力分布也较集中，若在化合物层与基体交界处产生较大的拉应力峰则可能造成化合物层剥落。图11所示为渗氮所产生的残留应力。从图可知，非渗氮钢45 钢渗氮效果远低于渗氮钢，这和化合层形成不良有关。

 

图11 渗氮所产生的残留应力

 

2.5 表面强化的残留应力

 

2.5.1 喷丸处理的残留应力

 

喷丸处理是目前表面强化的一个重要手段，它往往是和热处理综合起来使用。例如对发动机的连杆、车用的各种弹簧以及经表面淬火、渗碳淬火后的齿轮等工件再施以喷丸处理，以提高其疲劳强度。

 

其残留应力产生的机理也较简单，它是用高压压缩空气将硬质弹丸（淬硬钢丸、玻璃丸等）， 喷射到工件表面，使工件表面层产生塑性变形，且沿表面被延展，从而因基体（未变形）对表面层变形的约束而产生压应力。此压应力的大小、分布、层深和喷丸强度以及材料的组织、预应力状态等均有关。对55SiMnVB 钢的板簧，经中频感应加热到870°C, 油淬，然后经500~530°C回火，心部硬度≥407HBW, 屈服强度σ0. 2=1300MPa, 然后将试样利用弯曲在喷丸表面加上-980MPa, 0, +500MPa,＋750MPa,＋1000MPa 的预应力，在喷丸强度0.18~0.20C 的条件下进行喷丸处理后其残留应力分布的测定值如图12所示。

 

图12 不同喷丸状态的55SiMnVB钢试样的残留应力分布曲线

 

从图中可知，此时喷丸使工件表面小于1mm的层深内产生了极大的压缩残留应力。但是若喷丸表面是处于压应力的预应力状态下，则喷丸的效果为零，与未喷丸试样的残留应力相一致。

 

2.5.2 表面滚压产生的残留应力

 

它是用加上一定载荷的淬硬钢轮在工件表面进行滚压，使其表面产生与喷丸类似的塑性变形层，从而在工件表层产生残留压应力。图13为20CrMo钢Φ60mm圆柱表面经加载250MPa、350MPa、450MPa的滚轮滚压后的残留应力分布（试样预先经渗碳淬火）。

 

图13 20CrMo钢滚压后的残留应力