什么是残余力？

首先，官方有一个定义：残余应力是工件在制造过程中会受到各种工艺因素的影响；当这些因素消失后，如果上述对构件的影响和影响不能完全消失，而其中一部分还残留在构件中，那么残余的影响和影响就是残余应力。

有点头晕？让我们以一种流行的方式来谈论它。比如一个人以前很瘦，买了一条L码牛仔裤。然而，一年后，他变得很胖。当他再穿这条牛仔裤的时候，他会觉得他的裤子太紧了，因为他很胖，而且他的裤子没有改变。这时，他的身体和裤子之间，传来一股强大的力量。如果他用力过猛，很容易将它们撕裂，这种破坏力是残余应力的作用。从能量功的角度看，当外力引起物体塑性变形时，会引起物体内部变形，从而积累部分能量；当外力消除后，内应力分布不均匀的能量就会释放出来。如果物体的脆性低，它会慢慢变形，如果脆性高，它会形成裂缝。

残余应力在机械制造中很常见，而且经常出现在每一个工序中。但从本质上讲，残余应力的成因可分为三类

第一种是非均匀塑性变形；

第二种是温度变化不均匀；

第三种是非均匀相变。

从残余应力的分类可以看出残余应力的危害。残余应力会引起物体缓慢变形，导致物体尺寸发生变化，导致加工出的工件尺寸不合格，导致整个仪器精度下降，成为生产中的废品仪器、铸锻件出现裂纹甚至断裂。同时，对整个仪器的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、机械性能进行分析，尺寸稳定性和使用寿命也有非常重要的影响。

在冷却过程中，由于工艺不合理造成冷却不均匀，产生残余热应力，导致铸件断裂

图1 冷却时铸件断口

热处理淬火过程中，过冷奥氏体的马氏体转变容易造成材料断裂

图2 淬火时金属断裂

残余应力的测量 残余应力的测量可分为机械法、化学法和X射线法。

机械法

最常见的机械方法是钻孔法（也称为盲孔法）。在操作中，从物体上切下一段长度为其直径三倍的棒材（或管材），并在中心钻一个通孔。然后用钻孔杆或钻头从内部去除一层薄薄的金属，每次去除约5%的横截面积。去除后，测量样品长度的伸长率和直径的伸长率。

绘制这些值与井眼断面面积的关系曲线，用绘图法求曲线上任一点的导数，以表征伸长率和井眼断面的变化率，然后代入相应的应力公式。

化学法

化学法有两种观点。一种思路是将试样浸入合适的溶液中，测量从腐蚀开始到发现裂纹的时间，根据时间判断残余应力。使用的溶液可以是锡青铜的汞和含汞盐，钢的弱碱和硝酸盐；另一个想法是将样品浸入合适的溶液中并每隔一段时间称重。这样，我们就可以得到减重与时间的关系曲线，并与标准曲线进行比较，以确定残余应力的大小。所得曲线的位置比标准曲线的位置越高，物体中的残余应力越大。

图3 化学法浸入待测金属

X射线法可以利用X射线穿透金属零件，劳厄法可以通过干涉光斑形状的变化来定性地确定残余应力。

图4 X射线法原理

当没有残余应力时，干涉点呈点状分布。当有残余应力时，干涉点伸长，呈“星”形。

(a) 无残余应力（b) 有残余应力

图 5 劳厄法测量结果

德拜法可以定量测量残余应力，可根据德拜图上衍射线的位置、宽度和强度来确定。

综上所述，机械法和化学法属于破坏性检测方法，需要对被检测物进行局部取样，检测后损伤不可逆； X射线法是一种无损检测方法，可以保持物体的完整性。机械法可以准确确定残余应力的大小和分布，一般适用于棒状或管状物体；化学法适用于线材、片材类的对象，但化学法只能进行定性判断，难以做到定量描述； X射线法虽然是一种“无损”的方法，但它只适用于一些能给出清晰锐利衍射线的材料，而且由于X射线的投射能力小，只能检测到部分衍射线。物体靠近表面。

残余应力的消除 由于残余应力的危害如此之多，因此有效的消除方法是非常必要的。消除方法有四种：热处理、静负荷加压、振动时效和机械处理。

热处理

热处理是利用残余应力的热松弛作用来消除或降低残余应力。一般采用退火和回火。

静载荷加压是通过整体或局部甚至微小区域的塑性变形来调整工件的残余应力。例如大型压力容器，焊接后内部受压，称为“胀形”，使焊接接头产生少量塑性变形，从而降低焊接残余应力。

图6 鼓胀处理后的大油箱

VSR在英文中被称为vibration Stress Relief。振动应力消除（VSR）是消除工程材料内部残余应力的常用方法。通过振动，当工件内部残余应力和附加振动应力的矢量和超过材料的屈服强度时，材料发生少量塑性变形，从而使材料的内应力得到松弛并减少。

图7 应变可量化VSR系统

机械处理是利用物体表面产生微小塑性变形的方法来减少残余应力，包括零件相互碰撞、表面滚压、表面拉深和表面定径以及模具内的精压等。例如，熨烫的优点之一是消除残余应力。