如何测量残余应力?

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什么是残余应力

图2  铸件冷却时断裂

热处理的淬火过程中，过冷奥氏体进行马氏体转变时容易导致材料断裂。

图3  淬火过程金属断裂

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残余应力的测量

对于残余应力的测量，从大类上可以分为机械法、化学法和X射线法三种。

图6  化学法浸泡待测金属

图7  化学法的称重曲线

X射线法

X射线法可利用X射线穿透金属件，其中劳埃法是通过干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力。

图8  X射线法原理示意

当无残余应力存在时，各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。

(a)无残余应力  (b)残余应力存在

图9  劳埃法测量结果

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残余应力的消除

既然残余应力危害这么多，那么行之有效的消除方法就显得十分必要了。消除方法有热处理、静载荷加压、振动时效和机械处理四种方法。

热处理法

热处理就是利用残余应力的热松弛效应消除或降低残余应力，一般采用退火、回火等方式进行处理。

图11  热处理之退火处理

静载荷加压，就是使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形来调整工件的残余应力。例如大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，即所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。

图12  经过胀形处理的大型油罐

振动时效，英文叫做Vibration Stress Relief，简称VSR。振动时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法，是通过振动，使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻。 

图13   应变可量化式振动时效系统

机械处理，就是利用物体表面产生很小的塑性变形的方法来减小残余应力，包括零件彼此碰撞、表面滚压、表面拉制以及模具中表面校形精压等。例如打铁的好处之一就是消除残余应力。

图14   打铁锻造

文章来源：材料热处理工程师