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摘要：从塑性变形、热作用和化学作用三方面分析了机械零件残余应力产生的原因。针对残余应力对机械材料的疲劳强度、静强度、抗压力腐蚀性能、零部件的尺寸稳定性的影响，提出了采用退火法、回火法和时效处理法三种热处理方法和静态应力处理法、冲击应力处理法、振动处理法三种机械作用方法来调整和消除机械残余应力，从而提高零件的使用寿命。
关键词：残余应力 失效 调整 消除
在机械零件加工过程中，都将产生不同程度的残余应力，残余应力对机械材料的疲劳强度、静强度、抗应力腐蚀性能、零部件的尺寸稳定性等都有明显的影响，甚至在服役过程中产生相变。有利的残余应力可以提高抗失效性能；不利的残余应力则可能导致零件的早期失效。残余应力产生的主要原因有不均匀塑性变形、热作用和化学作用等，采用合理的工艺规范，选择适当的消除和调整残余应力方法，均可提高机械零件加工质量和使用寿命。
1 机械零件残余应力及分类
机械零件残余应力，是指在无外加载荷作用下，存在于整个机械零件内部或较大尺寸的宏观范围内分布并保持平衡的一种内应力。它在金属中处于自相平衡状态，按照内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，其平衡范围为金属的整个体积，它是由于金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观变形不均匀引起的。
②第二类内应力，其平衡范围为几个晶粒或几个晶块，它是由于这些晶粒或晶块的形变不一致或不均匀引起的。
③第三类内应力，其作用范围是几个到几千个原子内，它是由于金属在塑性变形中生成的大量点缺陷（如空位、位错、间隙原子等）引起的。
第一类内应力也称宏观内应力；第二类、第三类内应力统称微观内应力。所以，机械零件残余应力属第一类内应力或宏观应力的一种。
实际中，机械零件残余应力的产生原因及过程是复杂的。残余应力产生的原因，可分为因外部作用的外在原因和来源于机械材料内部组织结构不均匀的内在原因。按其产生原因可分为不均匀塑性变形产生的残余应力、热作用和化学作用产生的残余应力。
1.1不均匀塑性变形产生的残余应力
不均匀塑性变形产生的殘余应力是不均匀的外力作用的结果。例如弯曲、压延、拉拔等。
1.2热影响产生的残余应力
热影响产生的残余应力包括热应力产生的塑性变形和相变或沉淀析出引起的体积变化。热处理残余应力是由于不均匀的温度场引起的热应力和相变引起的组织应力叠加的结果。
1.3化学作用产生的残余应力
化学作用产生的残余应力是由于机械零件表面向内部扩散的化学变化或物理变化而引起的。
2残余应力与机械零件失效
残余应力对机械材料的疲劳强度、静强度、抗应力腐蚀性能、零部件的尺寸稳定性等都有明显的影响，甚至在服役过程中产生相变。近年来，据有关分析调查，由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50%以上。
2.1残余应力对机械材料疲劳失效的影响
残余应力对机械材料的抗疲劳失效性能的影响是重要的。就一般关系而论，当受到应力作用的机械零件存在残余压缩应力时，该零件的抗疲劳强度就会提高；而存在残余拉伸应力时，其抗疲劳强度就会下降。
2.2残余应力对静强度的影响
机械零件承受静载应力时，残余应力将与静载应力叠加。零件上的残余拉应力，在零件受静载荷时，将与静载荷叠加而降低零件的静强度。
2.3残余应力对抗应力腐蚀的影响
一般情况下，金属材料只有在拉应力和特定的腐蚀介质作用下才发生应力腐蚀开裂，没有拉应力也就没有应力腐蚀。因此，残余拉应力增大了材料应力腐蚀开裂的敏感性。
2.4残余应力对尺寸稳定性的影响
机械零件残余应力的存在，对机床零件以及其它精密零件的尺寸稳定性有很大影响。残余应力在机械零件使用过程中的变化，将导致零件尺寸精度的变化而影响失效。
3机械残余应力的调整和消除
在机械零件加工制造过程中，为了获得一定的形状和性能，金属零件要经过如切削、磨削、装配、冷拔、热处理等，残余应力将不可避免地要在机械零件内部产生的，因此将其消除或加以松弛，并进而通过再分布而加以调整当作最终工序是很重要的。
3.1热处理方法
用热作用消除应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。应力的消除是由一般的应力松弛所造成的。用加热方法消除和调整残余应力的方法主要有退火法、回火法和时效处理法三种。它们能够部分地或完全地消除残余应力，但也会引起材料的组织变化、硬度下降和其它力学性能的变化。
3.1.1去应力退火
去应力退火的主要目的是消除因冷加工或切削加工以及热加工（铸造、锻造、焊接）后快冷而引起的残余内应力，以避免可能导致的变形、开裂或随后处理有困难。
3.1.2回火与残余应力的去除
回火的作用之一是消除淬火钢中的残余应力。淬火马氏体是一种不稳定的组织，具有高的硬度和大的淬火应力。钢淬火后，往往得不到单纯的淬火马氏体，而是形成含有残余奥氏体、贝氏体等的混合组织。这些不稳定组织在回火过程中，因发生分解而引起残余应力的消除或重新分布。残余应力消除的程度取决于回火工艺和淬火组织的不稳定程度。在各个工艺参数中，回火温度对消除残余应力的影响最大。
3.1.3时效处理
铸铁件常因凝固时的不均匀收缩而造成相当的残余应力。在室温长期放置或在一定温度下保温可使应力得到一定程度的消除，这一过程也称为时效处理。铸铁的时效根据温度不同也可分为自然时效和人工时效。
3.2机械作用方法
机械方法消除残余应力的原理是利用材料在机械力的作用下，局部产生的塑性变形来达到降低和调整残余应力的目的。机械方法消除残余应力的方法主要有静态应力处理法、冲击应力处理法和振动处理法。
4宏观残余应力测试
宏观残余应力的测定方法很多，如电阻应变片法、光弹性复膜法、脆性涂料法、X射线法及声学法等，所以这些方法实际上都是测定其应变，再通过弹性力学定律由应变计算出应力的数值。目前实际上得到广泛应用的是X射线应力测定法。
X射线应力测定法是利用布拉格定律：2dsinθ=nλ，即内应力的存在使金属的晶格发生变化，从而造成晶粒中晶面间距d增大或减少，导致衍射峰变化。
X射线应力测定法有以下优点：不损坏零件；所测定的仅仅是弹性应变，而不是塑性应变；X射线照射被测零件的截面积可小到1mm直径。缺点：对复杂形状的零件测定准确度不高或不能测定。
关键词：残余应力 失效 调整 消除
在机械零件加工过程中，都将产生不同程度的残余应力，残余应力对机械材料的疲劳强度、静强度、抗应力腐蚀性能、零部件的尺寸稳定性等都有明显的影响，甚至在服役过程中产生相变。有利的残余应力可以提高抗失效性能；不利的残余应力则可能导致零件的早期失效。残余应力产生的主要原因有不均匀塑性变形、热作用和化学作用等，采用合理的工艺规范，选择适当的消除和调整残余应力方法，均可提高机械零件加工质量和使用寿命。
1 机械零件残余应力及分类
机械零件残余应力，是指在无外加载荷作用下，存在于整个机械零件内部或较大尺寸的宏观范围内分布并保持平衡的一种内应力。它在金属中处于自相平衡状态，按照内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，其平衡范围为金属的整个体积，它是由于金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观变形不均匀引起的。
②第二类内应力，其平衡范围为几个晶粒或几个晶块，它是由于这些晶粒或晶块的形变不一致或不均匀引起的。
③第三类内应力，其作用范围是几个到几千个原子内，它是由于金属在塑性变形中生成的大量点缺陷（如空位、位错、间隙原子等）引起的。
第一类内应力也称宏观内应力；第二类、第三类内应力统称微观内应力。所以，机械零件残余应力属第一类内应力或宏观应力的一种。
实际中，机械零件残余应力的产生原因及过程是复杂的。残余应力产生的原因，可分为因外部作用的外在原因和来源于机械材料内部组织结构不均匀的内在原因。按其产生原因可分为不均匀塑性变形产生的残余应力、热作用和化学作用产生的残余应力。
1.1不均匀塑性变形产生的残余应力
不均匀塑性变形产生的殘余应力是不均匀的外力作用的结果。例如弯曲、压延、拉拔等。
1.2热影响产生的残余应力
热影响产生的残余应力包括热应力产生的塑性变形和相变或沉淀析出引起的体积变化。热处理残余应力是由于不均匀的温度场引起的热应力和相变引起的组织应力叠加的结果。
1.3化学作用产生的残余应力
化学作用产生的残余应力是由于机械零件表面向内部扩散的化学变化或物理变化而引起的。
2残余应力与机械零件失效
残余应力对机械材料的疲劳强度、静强度、抗应力腐蚀性能、零部件的尺寸稳定性等都有明显的影响，甚至在服役过程中产生相变。近年来，据有关分析调查，由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50%以上。
2.1残余应力对机械材料疲劳失效的影响
残余应力对机械材料的抗疲劳失效性能的影响是重要的。就一般关系而论，当受到应力作用的机械零件存在残余压缩应力时，该零件的抗疲劳强度就会提高；而存在残余拉伸应力时，其抗疲劳强度就会下降。
2.2残余应力对静强度的影响
机械零件承受静载应力时，残余应力将与静载应力叠加。零件上的残余拉应力，在零件受静载荷时，将与静载荷叠加而降低零件的静强度。
2.3残余应力对抗应力腐蚀的影响
一般情况下，金属材料只有在拉应力和特定的腐蚀介质作用下才发生应力腐蚀开裂，没有拉应力也就没有应力腐蚀。因此，残余拉应力增大了材料应力腐蚀开裂的敏感性。
2.4残余应力对尺寸稳定性的影响
机械零件残余应力的存在，对机床零件以及其它精密零件的尺寸稳定性有很大影响。残余应力在机械零件使用过程中的变化，将导致零件尺寸精度的变化而影响失效。
3机械残余应力的调整和消除
在机械零件加工制造过程中，为了获得一定的形状和性能，金属零件要经过如切削、磨削、装配、冷拔、热处理等，残余应力将不可避免地要在机械零件内部产生的，因此将其消除或加以松弛，并进而通过再分布而加以调整当作最终工序是很重要的。
3.1热处理方法
用热作用消除应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。应力的消除是由一般的应力松弛所造成的。用加热方法消除和调整残余应力的方法主要有退火法、回火法和时效处理法三种。它们能够部分地或完全地消除残余应力，但也会引起材料的组织变化、硬度下降和其它力学性能的变化。
3.1.1去应力退火
去应力退火的主要目的是消除因冷加工或切削加工以及热加工（铸造、锻造、焊接）后快冷而引起的残余内应力，以避免可能导致的变形、开裂或随后处理有困难。
3.1.2回火与残余应力的去除
回火的作用之一是消除淬火钢中的残余应力。淬火马氏体是一种不稳定的组织，具有高的硬度和大的淬火应力。钢淬火后，往往得不到单纯的淬火马氏体，而是形成含有残余奥氏体、贝氏体等的混合组织。这些不稳定组织在回火过程中，因发生分解而引起残余应力的消除或重新分布。残余应力消除的程度取决于回火工艺和淬火组织的不稳定程度。在各个工艺参数中，回火温度对消除残余应力的影响最大。
3.1.3时效处理
铸铁件常因凝固时的不均匀收缩而造成相当的残余应力。在室温长期放置或在一定温度下保温可使应力得到一定程度的消除，这一过程也称为时效处理。铸铁的时效根据温度不同也可分为自然时效和人工时效。
3.2机械作用方法
机械方法消除残余应力的原理是利用材料在机械力的作用下，局部产生的塑性变形来达到降低和调整残余应力的目的。机械方法消除残余应力的方法主要有静态应力处理法、冲击应力处理法和振动处理法。
4宏观残余应力测试
宏观残余应力的测定方法很多，如电阻应变片法、光弹性复膜法、脆性涂料法、X射线法及声学法等，所以这些方法实际上都是测定其应变，再通过弹性力学定律由应变计算出应力的数值。目前实际上得到广泛应用的是X射线应力测定法。
X射线应力测定法是利用布拉格定律：2dsinθ=nλ，即内应力的存在使金属的晶格发生变化，从而造成晶粒中晶面间距d增大或减少，导致衍射峰变化。
X射线应力测定法有以下优点：不损坏零件；所测定的仅仅是弹性应变，而不是塑性应变；X射线照射被测零件的截面积可小到1mm直径。缺点：对复杂形状的零件测定准确度不高或不能测定。