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各种弊病有关。但是，由于工艺方法改善和材料获得改进，在观察不到这些弊病时，就降低了对残余应力的注意。然而，残余应力存在的重大意义就在于它对零件力学性能的影响和对它的利用。实际上，在机械的使用过程中发生的意外破坏事故，除了材料本身的结构强度外，多数是由残余应力的影响造成的。
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。在框架状零件的截面上存在着图1-11a所示的残余应力，对零件施加拉力F，截面a则呈现出残余拉应力。在铸造或焊接情况下，当工件之间有相互作用或者是具有约束力时，都将呈现出这种状态的应力。
下面介绍一下施加拉力时各截面的变形。当把材料看成是理想弹塑性体时，则会表现出如图1-11c、d所示的应力-应变曲线。图1-11c表示截面a处的变形，图1-11d表示截面b、c的变形。图中的0点表示负载为零时各自的残余应力。图1-11e为整体上外加载荷与伸长率的关系。当加载到1点时，截面a达到屈服强度；加载到2点时，截面a达到塑性状态，而截面b、c仍处于弹性状态；当加载到3点时，截面b、c也均达到塑性状态。因此，作为整体的变形就有图1-11e所示的1、2、3的状态，形成曲线Ⅱ所示的变形过程。在此状态下卸载，残余应力就会减小乃至释放。图1-11b是从2的状态下卸载时的残余应力。对于具有此例所示残余应力的塑性材料，当加载到3点以后的状态时，整个截面都达到塑性状态，由此直至材料破坏的行为与不具有残余应力的构件是一样的，可以认为，此时残余应力是没有影响的。也就是说，对于塑性材料，残余应力仅影响全截面达到塑性变形以前的变形。
图1-11 外加载荷所造成的残余应力的变化和变形[1]
a）加载前的残余应力 b）加载后的残余应力 c）中央部分的应力-应变曲线 d）两侧部分的应力-应变曲线 e）整体部分的载荷-拉伸曲线
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，从而影响整个机器精度的稳定。要保持零件的尺寸稳定性，可从以下两个方面着手[8]。
1）尽量选用尺寸稳定性高的材料，再用特殊的工艺方法进行稳定化处理，以保证合金组织的稳定和合金抗微塑性变形的能力。
2）分析和估算各道热加工、冷加工工序和机械装配时对零件诱发的残余应力，以及残余应力在零件工作或存放过程中的松弛程度。
当金属材料具有稳定组织时，零件的尺寸稳定性主要与残余应力的松弛有关。而当金属材料为亚稳定组织时，则零件尺寸不稳定应该是组织转变和残余应力松弛两个因素同时作用的结果。这时，组织的转变促使残余应力松弛，而残余应力松弛又激活组织转变。另一方面，由于工作应力和残余应力的长期作用，金属材料都会发生微塑性变形。因此，在工作应力没有多大变化的情况下，研究零件的尺寸稳定性，除了估算完工后零件中的残余应力分布外，还需要重点分析材料的抗微塑性变形能力问题。
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，则随着这层金属的分离，残余应力原先的平衡将会受到破坏，再达到新的平衡过程中，工件会产生新的变形，加工精度也受到了影响。
长期存放试验证明，许多结构钢中的焊接残余应力是不稳定的，它随着时间而不断地变化[18]。如Q235钢在室温20℃下存放，原始应力为240MPa，经过两个月降低了2.5%。在100℃下存放时，应力降为20℃时的1/5，其原因是Q235钢在室温下的蠕变和应力松弛。30CrMnSi、25CrMnSi、12Cr5Mo、20CrMnSiN等高强度合金结构钢在焊后产生残留奥氏体，而奥氏体在室温存放过程中不断转化为马氏体，残余应力因马氏体的体积膨胀而减小。而35钢和40Cr13等钢材焊后在室温和稍高温度下存放会发生残余应力增大的相反现象。因此，残余应力不稳定，构件的尺寸也就不稳定。
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，其疲劳强度就会降低。
经超声喷丸处理的不锈钢表面会产生循环应变层，形成残余压应力。喷丸残余应力场对疲劳性能的影响主要有两个方面[19]。
1.残余应力场对疲劳裂纹萌生的影响
（1）表面萌生裂纹 当材料表面较软、表面粗糙度值较高或者存在某种形式的应力集中时，疲劳加载时疲劳源大多位于试样表面。但是，由于喷丸表面存在残余压应力，抵消了部分载荷应力，从而提高了不锈钢的疲劳强度。
（2）内部萌生裂纹 当进行适当强度喷丸后，试样表面粗糙度值较低，表面萌生裂纹的诱因大部分消失。此时较高的表面残余压应力会阻碍裂纹在表面萌生，而将其“挤”入到内部的薄弱区域，这个区域往往是残余拉应力区。内部萌生裂纹时，局部载荷应力降低，同时位错滑移受到较大的约束，提高了局部抗力，因此表面疲劳强度必然会提高。
2.残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响
残余压应力场阻碍疲劳裂纹的扩展，可以使其扩展速度大幅度下降，从而形成非扩展裂纹。当表面产生疲劳裂纹源时，只要裂纹的深度小于一定的强化层深度，裂纹尖端将仍然存在一定的残余压应力区域。此时残余压应力不仅可以有效降低控制疲劳裂纹扩展的应力强度因子幅度，而且可以增强疲劳裂纹的闭合效应，使疲劳裂纹张开的临界应力增加，从而使喷丸件的疲劳强度得到提高。
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殊环境下发生的，但在普通的状态下也可能发生。由于温度的下降、变形速度的增加或者厚壁断面等，使构件的塑性变形处于抑制的状态，当因某种原因受到大的作用应力时，脆性断裂就会突然发生。残余应力作为初始应力附加到普通构件的断面时，就会对脆性断裂产生影响。
图1-12所示为温度、尖锐缺口和残余应力对焊接碳钢试件断裂强度的影响。当试件没有尖锐缺口时，断裂的载荷将对应于试验温度下的材料强度极限，如图1-12中曲线PQR所示。试件有尖锐缺口，但没有残余应力存在时，引起断裂的应力为图1-12中曲线PQSUT。当温度高于断裂转变温度Tf时，在高应力作用下发生高能量断裂；当温度低于断裂转变温度Tf时，断裂应力降低到接近于屈服强度。如果在高残余拉应力区有一个缺口，则可能发生以下各种形式的断裂。
1）温度高于Tf时，断裂应力等于强度极限（曲线PQR），残余应力对断裂应力没有影响。
2）温度低于Tf，但高于止裂温度Ta时，裂纹可能在低应力下始发，但被止住。
3）温度低于Ta时，根据断裂始发时应力水平将发生两种情况之一：①如果应力低于临界应力（如图1-12中曲线WV所示），裂纹将在扩展一段距离后被止住；②如果应力高于临界应力，将发生完全断裂。
图1-12 温度、尖锐缺口和残余应力对焊接碳钢试件断裂强度的影响[18]
Ta—止裂温度 Tf—断裂转变温度
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。这种开裂只有满足几个特殊条件才会发生，它的特征如下所述。
1）拉应力和腐蚀必须共存，缺少任何一方，裂纹或者不发生，或者不扩展。其原因是拉应力对金属表面腐蚀钝化膜的破坏加速了腐蚀破坏过程。
2）由于材料成分和组织的不同，对开裂的敏感性也就不同。
3）裂纹在特定的腐蚀介质下更易于发生。
因为拉应力和腐蚀共存是应力腐蚀开裂的必要条件，所以在分析应力腐蚀开裂时应该把残余应力的影响考虑在内。
根据对应力腐蚀破坏实例的大量统计，产生应力腐蚀开裂的钢种主要是近多年来大量应用的超低碳不锈钢。图1-13所示为18-8型和25-20型两种铬镍不锈钢的应力与断裂时间的关系图。应力越大，发生断裂所需要的时间越短；应力越小，发生断裂所需要的时间越长。
图1-13 18-8型和25-20型两种铬镍不锈钢的应力与断裂时间的关系图[18]
○—Cr18Ni9Ti不锈钢 Δ—Cr25Ni20不锈钢
注：在42%（质量分数）MgCl2沸腾溶液中。
通常，达到破坏的时间取决于裂纹的产生和扩展的快慢。在拉应力作用下，裂纹的扩展在应力腐蚀开裂中是很重要的。有关其机理目前有两种说法：一种说法认为，整个过程中由于应力而加速了腐蚀，这是因为在微小凹痕处的应力集中形成了局部电池，从而促进了腐蚀。而另一种说法则认为，由于腐蚀和裂纹尖端的应力集中使小范围的脆性破坏交替发生，从而促使裂纹向前扩展。后一种说法认为裂纹本身是机械地向前扩展，而腐蚀则促使了应力集中的发生。目前支持后一种说法的人较多。
对于裂纹扩展而言，作用应力的种类，也就是说它的分布是非常重要的。图1-14所示为作用应力对应力腐蚀开裂的影响。将铝合金进行各种塑性拉伸，然后从外部施加拉应力或弯应力来研究其应力腐蚀开裂。对于承受弯应力状态的试样，裂纹在其内部扩展时，其裂纹尖端处的应力集中程度比均匀拉伸状态试样要小，则此时对应力腐蚀开裂是不敏感的。
仅有残余应力或外应力时，两者的裂纹扩展状态是不同的。但实际上往往在残余应力上都有外应力，这时的残余应力具有重要的意义。由于残余应力的类型、大小和分布的不同，当其与外应力叠加时，有可能成为适宜于应力腐蚀开裂的状态，也可能是相反的状态。作为残余应力效应，当有腐蚀介质接触的部位上存在残余压应力时，对防止应力腐蚀开裂是有效的。
图1-14 作用应力对应力腐蚀开裂的影响[1]
注：1.材料为铝合金[w（Zn）为5.3%，w（Mg）为0.30%，w（Mn）为0.30%]；腐蚀介质（质量分数）为3%NaCl+0.1%H2O2。
2.7%、2%指塑性延伸率。三条实线为从外部施加拉应力时，塑性延伸率分别为7%、2%和没有塑性延伸时的曲线。两条虚线为从外部施加弯曲应力，塑性延伸率分别为7%和没有塑性延伸时的曲线。
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；对于回弹硬度，残余应力会影响回弹能量，从而使硬度的测定值有所变动。如果硬度的测定值变动很大，则可以反过来用硬度的测定来测量残余应力。但是，对此影响从理论上分析是极其困难的。
1.残余应力对压入硬度的影响
如果利用与压入硬度不同的赫芝硬度，则由于它在测定硬度时是把球压到表面，用处于载荷作用下的部分开始产生塑性变形的压力来表示硬度的，因此在所测得的硬度中，除了取决于组织状态的硬度外，还可求得残余应力的影响。如果用F表示载荷，用σ表示材料表面与球接触部分的最高压力，则根据赫芝接触理论可得
式中，E为弹性模量；ν为泊松比；d为球的直径。
用式（1-5）求得的硬度是对应于材料弹性极限的指标。
图1-15所示为硬度为58HRC（这是无应力作用时的硬度）Ni-Cr钢的圆板进行弯曲变形，从而求出的圆板表面应力与赫芝硬度之间的关系。无应力作用时，硬度为3400MPa；当应力为-1470MPa（-210×7MPa）时，硬度则为6800MPa。
图1-15 赫芝硬度与应力的关系[1]
注：材料为Ni-Cr钢，经淬火+回火处理；材料表面硬度为58HRC。
2.残余应力对回弹硬度的影响
对于回弹硬度而言，材料的弹性模量和屈服强度等具有决定性的影响。残余应力对这种硬度也会造成一定的影响。因此，当残余应力存在时，即使是在低载荷作用下，材料内部也易于发生塑性变形。由于回弹硬度能使材料受到冲击力，因此只要在材料内造成微小的塑性变形功，就会减少回弹能，从而降低回弹硬度。当残余应力是拉应力时，这种效应会更加明显，如图1-16所示。
图1-16 肖氏硬度与弯曲应力的关系[1]
注：图中温度为退火温度。