1.1 殘余應(yīng)力及其分類

殘余應(yīng)力是當(dāng)沒有外力作用時(shí)，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。沒有通過物體表面向物體內(nèi)部傳遞應(yīng)力時(shí)，物體內(nèi)部保持平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，稱為固有應(yīng)力（inherent stress）或初始應(yīng)力（initial stress）。熱應(yīng)力（thermal stress）和殘余應(yīng)力（residual stress）是固有應(yīng)力的一種。固有應(yīng)力也稱為內(nèi)應(yīng)力（internal stress）。

殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)隨材料性能、產(chǎn)生條件等的不同而不同，分類方法也不一致。按作用范圍，殘余應(yīng)力可分為宏觀殘余應(yīng)力與微觀殘余應(yīng)力。

1.1.1 宏觀殘余應(yīng)力

宏觀殘余應(yīng)力又稱為第一類殘余應(yīng)力，它是在宏觀區(qū)域分布，跨越多個(gè)晶粒的平均應(yīng)力。它的大小、方向和性質(zhì)等可用常規(guī)的物理或機(jī)械方法進(jìn)行測量。按殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因宏觀殘余應(yīng)力可分為以下三種。

1.不均勻塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

材料通常由于加工的原因而引起不均勻的塑性變形，即材料不同部分的塑性變形量不相同，這樣必然會(huì)在不同部分之間出現(xiàn)相對(duì)的壓縮或拉伸變形，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。滾壓、拉拔、擠壓、切削、噴丸等加工工藝都會(huì)引起不均勻的塑性變形。

2.熱影響產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

熱影響產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是復(fù)雜的。在加熱或冷卻的過程中，材料內(nèi)部會(huì)存在溫度梯度，由于這種不均勻加熱或冷卻造成不均勻的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而當(dāng)組織轉(zhuǎn)變引起材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的體積變化時(shí)，則產(chǎn)生相變應(yīng)力。由于熱影響而產(chǎn)生塑性變形時(shí)，材料本身的屈服強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)特征值也要受到影響，從而也會(huì)影響應(yīng)力變化。

3.化學(xué)作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

這種殘余應(yīng)力是由于表面向內(nèi)部傳遞的化學(xué)變化或物理變化而產(chǎn)生的。比如瓷器，它是在表面涂上釉子原料，然后加熱形成釉子，由于釉子有較大的膨脹系數(shù)，冷卻后在釉子上產(chǎn)生拉應(yīng)力而發(fā)生龜裂。裂紋是有規(guī)律的，每條裂紋大都和另一裂紋互相連接起來，這種龜裂能使沿其垂直方向的拉應(yīng)力消失。而泥土龜裂所形成的裂紋交角恰好為120°的星形裂紋。

鋼材在進(jìn)行滲氮時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生比體積較大的化合物層，表面便產(chǎn)生了很大的殘余壓應(yīng)力。滲碳時(shí)也會(huì)發(fā)生類似情況。這主要是因?yàn)榛瘜W(xué)變化導(dǎo)致密度變化所造成的。

1.1.2 微觀殘余應(yīng)力

微觀殘余應(yīng)力屬于顯微視野范圍內(nèi)的應(yīng)力，根據(jù)其作用的范圍，又可分為兩類，即第二類、第三類殘余應(yīng)力。第二類殘余應(yīng)力作用于晶粒或亞晶粒之間（約在0.01～1mm范圍內(nèi)），是在此范圍內(nèi)的平均應(yīng)力。第三類殘余應(yīng)力作用于晶粒內(nèi)部（約在10^-6～10^-2mm范圍內(nèi)）。殘余應(yīng)力的分類見表1-1。

表1-1 殘余應(yīng)力的分類^[1]

按照殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，微觀殘余應(yīng)力可分為以下幾種。

1.由于晶粒的各向異性而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力

這種殘余應(yīng)力包括晶體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等的各向異性及晶粒間的方位不同而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力。以晶體彈性模量的各向異性為例，鉛的單晶體的彈性模量隨晶體方位不同有1～3倍的變化，鋅的單晶體有1～4倍的變化。絕大多數(shù)金屬的彈性模量都具有各向異性，其彈性模量一般以晶體的<111>方向?yàn)樽畲螅?lt;100>方向?yàn)樽钚　Ｔ诙嗑w中，由于各晶粒的方向不同，即使所施加的外力是均勻的，各晶粒的變形也可能不同，此時(shí)若有塑性變形發(fā)生，各晶粒的塑性變形也會(huì)不均勻，因此必然引起殘余應(yīng)力。

2.由于晶粒內(nèi)外的塑性變形而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

這種殘余應(yīng)力包括晶粒內(nèi)的滑移、穿過晶粒間的滑移及雙晶的形成等而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力。例如，晶粒內(nèi)有滑移變形，位錯(cuò)就會(huì)在晶界堆積，還可能穿過晶界在更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行滑移，顯示出折曲帶等情況。由于位錯(cuò)穿過晶粒并不消失，因此這時(shí)也會(huì)在組織內(nèi)不均勻地形成各種內(nèi)部缺陷。這些就成為外力去除后產(chǎn)生微觀殘余應(yīng)力的主要原因。

3.由于夾雜物、沉淀相或相變出現(xiàn)不同相而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力

在金相組織內(nèi)，當(dāng)夾雜物、沉淀相或相變而出現(xiàn)不同相時(shí)，由于體積變化及熱應(yīng)力的作用，可能產(chǎn)生相當(dāng)大的微觀殘余應(yīng)力。