表面残余应力检测技术_工业技术

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前言

在机械制造及再制造过程中，零部件的表面会不可避免地产生残余应力。此外，面向再制造的表面薄膜及表面涂层，不仅在制备过程中会产生残余应力，而且在服役过程中也会诱发残

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第1章残余应力概论

各种机械制造工艺（如铸造、切削、焊接、热处理、装配等）都会使工件内出现不同程度的残余应力。残余应力将会对材料的物理力学性能产生巨大影响，对结构的强度造成很大危害

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1.1 残余应力及其分类

残余应力是当没有外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。没有通过物体表面向物体内部传递应力时，物体内部保持平衡的应力系统，称为固有应力（inherent s

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1.1.1 宏观残余应力

宏观残余应力又称为第一类残余应力，它是在宏观区域分布，跨越多个晶粒的平均应力。它的大小、方向和性质等可用常规的物理或机械方法进行测量。按残余应力产生的原因宏观残

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1.1.2 微观残余应力

微观残余应力属于显微视野范围内的应力，根据其作用的范围，又可分为两类，即第二类、第三类残余应力。第二类残余应力作用于晶粒或亚晶粒之间（约在0.01～1mm范围内

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1.2 残余应力的产生

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1.2.1 焊接残余应力的产生

焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力。按照作用时间，焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它会随时间的变

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1.2.2 铸造残余应力的产生

铸造过程中零件内各部分产生的应力，包括冷却后的残余应力，都会成为零件在铸造时和铸造后形成各种缺陷的原因。铸造时发生的过大应力是凝固和冷却时造成零件开裂的原因，也

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1.2.3 切削残余应力的产生

1.切削残余应力的产生机理零件在进行切削时，由于已加工表面受到切削力和切削热的作用而发生严重的不均匀弹塑性变形，以及金相组织的变化影响将产生切削残余应力。产生

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1.2.4 磨削残余应力的产生

磨削加工是由嵌有许多小刀具的砂轮进行的切削加工。这种磨削所产生的试样加工变形层比一般切削更局限于表面，并且伴随着很大的发热现象。磨削残余应力主要是由磨削过程中

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1.2.5 表面热处理残余应力的产生

材料在进行淬火等热处理后，其内部将会产生残余应力。如果材料内各部分的形状和体积发生不均匀的变化，则残余应力的产生是无法避免的。热处理残余应力的大小和分布对材料的

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1.2.6 薄膜残余应力的产生

薄膜残余应力是薄膜生产、制备过程中普遍存在的现象。无论化学气相沉积法、物理气相沉积法，还是磁控溅射法等镀膜技术，薄膜中的残余应力都是不可避免的。薄膜应力是一种宏

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1.2.7 涂层残余应力的产生

1.涂层残余应力产生原因残余应力是热喷涂涂层本身固有的特性之一，是指产生应力的各种因素作用不复存在时，在物体内部依然存在并保持自身平衡的应力[10]。它主要是

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1.3 残余应力的影响

残余应力对机械制造过程有着重要的影响。例如，经热处理和机械加工后零件尺寸的变形、磨削时的开裂、应力腐蚀，以及铸造、焊接时的尺寸变化、开裂等，都与加工过程及工件的

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1.3.1 残余应力对变形的影响

当存在残余应力的零件受到外加载荷时，外加作用应力和残余应力的状况会使整个零件的变形受到影响。外加载荷所造成的残余应力的变化和变形如图1-11所示。在框架状零件的

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1.3.2 残余应力对尺寸稳定性的影响

金属零件尺寸不稳定是指零件在使用或存放过程中自发改变形状和尺寸而成为不可逆变形的现象。机床床身和仪器机架类大多是灰铸铁件，在使用过程中经常会出现这种不可逆变形，

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1.3.3 残余应力对加工精度的影响

若零件坯料在切削加工前已经存在一定的残余应力，或者在粗加工后产生了残余应力，这都会影响完工后零件的尺寸精度和几何形状。因为如果切削时切除的金属层中分布着残余应力

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1.3.4 残余应力对疲劳性能的影响

对材料承受动载性能的影响而言，残余应力对疲劳强度的影响是重要的。当受到交变应力的材料存在残余压应力时，会使其疲劳强度提高；而当存在残余拉应力时，其疲劳强度就会降

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1.3.5 残余应力对脆性断裂的影响

脆性断裂一般是在未到寿命的时期内材料内部突然发生裂纹，并且迅速扩展到整个截面而导致破坏，而此时几乎没有由于外部载荷而产生的塑性变形。这种脆性断裂通常是在低温等特

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1.3.6 残余应力对应力腐蚀开裂的影响

当材料处于静应力的作用下，同时又处于与腐蚀性介质相接触的状态时，材料往往经过一定时间后，就会有裂纹产生，并发展到整个断面而最终破坏。这就是所谓的应力腐蚀开裂。这

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1.3.7 残余应力对硬度的影响

由于原理不同，硬度可以分为压入硬度和回弹硬度。但当存在残余应力时，无论哪种硬度的测定值都会受到影响。在压入硬度情况下，残余应力会影响压入部分周围的塑性变形；对于

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1.4 残余应力检测技术概况

残余应力的检测技术始于20世纪30年代，自20世纪50年代末到70年代初，随着微电子技术的发展和计算机的普遍应用，残余应力的检测技术取得了突破性的进展。测试仪器

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参考文献

[1] 米谷茂.残余应力的产生与对策[M].北京：机械工业出版社，1983. [2] 宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京：中国石化出版社，2004.

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第2章残余应力无损检测技术

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2.1 纳米压痕法

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2.1.1 纳米压痕技术概述

纳米压痕（nanoindentation）技术又被称为深度敏感压痕（depth sensing indentation）技术，是近年发展起来的一种新技术。它可以

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2.1.2 纳米压痕技术的理论方法

1.Oliver和Pharr法 1992年，Oliver和Pharr提出了用纳米量级压痕的载荷-位移关系测试和分析材料力学性能的新方法，它是根据压痕过程中的加载

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2.1.3　纳米压痕仪

1.美国MTS公司纳米压痕仪（NANO Indenter）[1] NANO Indenter是美国MTS公司生产的一种用于纳米力学测试的仪器，目前主要有XP、S

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2.1.4 纳米压痕法测量残余应力的理论模型

Bolshakov[7]等人在1996年通过试验和有限元模拟发现，铝8009的硬度不受残余应力的影响，也就是说材料的硬度不随残余应力的改变而改变。基于硬度不变的

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《表面残余应力检测技术》简介

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