殘余應力是指在沒有對物體施加外力時，物體內部存在的保持自相平衡的應力系統。其產生原因就是零件的某些部位和形狀產生了某些變化的結果。用能量作功的方法可以加深對殘余應力的認識：外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功以零件內部材料變形而存貯在零件內。當外力消除以后，應力不均勻的能量要施放出來，引起了零件緩慢地變形，即殘余應力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來為止，變形結束。

殘余應力是一種內應力，有內應力的工件，是處于一種不穩定狀態，其內部的組織有強烈地恢復到沒有內應力的穩定狀態的傾向。工件的形狀逐漸發生改變（如翹曲變形）從而喪失其原有精度。如果將存在內應力的工件裝配到機器中，則會因其在使用中的變形而破壞整臺機器的精度。

殘余應力的來源

外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功，以零件內部材料變形而存貯在零件內。當外力消除以后，應力不均勻的能量就會釋放出來，使零件緩慢地變形，即殘余應力作功，直到能量全部釋放出來為止。在機械制造中，各種工藝過程往往會產生殘余應力。但是，如果從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結為：

（1）不均勻的塑性變形；

（2）不均勻的溫度變化；

（3）不均勻的相變。

殘余應力的分類

按應力產生的原因分類有：

(1) 熱應力

鑄件各部分的薄厚是不一樣的，例如機床床身導軌部分很厚，而側壁筋板部分較薄。鑄造后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大，因而產生的拉壓也大。這時，鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態，其壓應力使厚壁部分變厚，拉應力使薄壁部分變薄，拉壓應力，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻時，當薄壁部分進入彈性狀態而厚壁部分仍處于塑性時，壓應力使厚壁部分產生塑性變形，繼續變厚。而薄壁部分僅發生彈性拉長，這時拉壓應力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續冷卻，當薄厚壁部分進入彈性區時，由于厚壁部分溫度高，收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮，故薄壁受壓應力，厚壁受拉應力。應力方向發生了變化。這種作用一直持續到室溫，結果在常溫下厚壁部分受拉應力，薄壁部分受壓應力。這個應力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產生的，叫熱應力。

在導軌或側壁的同一個截面內，表層與內心部，由于冷卻快慢不同，也產生相互平衡拉壓的應力，用類似于上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應力，心部受拉應力，并且截面越大，應力越大，此應力也叫熱應力。

(2) 相變應力

常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，由結晶過程可知①：厚壁部分在1153℃共晶結晶時，析出共晶石墨，產生體積膨脹 ，薄壁部分阻礙其膨脹，厚壁部分受壓應力，薄壁部分受拉應力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變為受拉應力。而薄壁與其相反。在共析(738℃)前的收縮中，薄厚壁均處于塑性狀態，應力雖然不斷產生， 但又不斷被塑性變形所松弛，因此應力并不大。當降到738℃時，鑄鐵發生共析轉變，由面心立方，變為體心立方結構(即γ-Fe變為a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同時有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產生壓應力。上述的兩種應力，是在1153℃ 和738℃兩次相變而產生的，叫相變應力。相變應力與冷卻過程中產生的熱應力方向相反， 相變應力被熱應力抵消。在共析轉變以后，不再產生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應力起主要作用。

(3) 收縮應力(亦叫機械阻礙應力)

鑄件在固態收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口等的阻礙作用而產生的應力叫收縮應力。由于各部分由塑性到彈性狀態轉變有先有后，型芯等對收縮的阻力將在鑄件內造成不均勻的的塑性變形，產生殘余應力。收縮應力一般不大，多在打箱后消失。

按照殘余應力平衡范圍的不同，通?？蓪⑵浞譃槿N：

① *一類內應力，又稱宏觀殘余應力，它是由工件不同部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應力平衡范圍包括整個工件。例如，將金屬棒施以彎曲載荷，則上邊受拉而伸長，下邊受到壓縮；變形超過彈性極限產生了塑性變形時，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應力，短邊為張應力。這類殘余應力所對應的畸變能不大，僅占總儲存能的0.1%左右。

②　第二類內應力，又稱微觀殘余應力，它是由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻性產生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當，即在晶粒或亞晶粒之間保持平衡。這種內應力有時可達到很大的數值，甚至可能造成顯微裂紋并導致工件破壞。

③　第三類內應力，又稱點陣畸變。其作用范圍是幾十至幾百納米，它是由于工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯等）引起的。變形金屬中儲存的絕大部分能量（80%~90%）用于形成點陣畸變。這部分能量提高了變形晶體的能量，使之處于熱力學不穩定狀態，故它有一種使變形金屬重新恢復到具有最低的穩定結構狀態的自發趨勢，并導致塑性變形金屬在加熱時的恢復及再結晶過程。

殘余應力對機械零部件的影響

（1）引起物體尺寸和形狀的變化。當在變形物體內存在殘余應力時，則物體將會產生相應的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應的變形也會發生變化，引起物體尺寸和形狀改變。

（2）縮短零件的使用壽命。因殘余應力本身是相互平衡的，所以當具有殘余應力的物體受載荷時，在物體內有部分的工作應力，為外力所引起的應力與此殘余應力之和，有部分為其差，這樣就會造成應力在物體內的分布不均。此時，工作應力達到材料的屈服強度時，物體將會產生塑性變形，達到材料的斷裂強度時，物體就會產生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。

（3）降低了金屬的塑性、沖擊韌性。當具有殘余應力的物體繼續進行塑性加工時，由于殘余應力的存在可加強物體內的應力和變形的不均勻分布，提高金屬的變形抗力，降低塑性。

（4）降低金屬的耐蝕性和疲勞強度等。由于零件內部的殘余應力，使其處于高能量狀態，易與氧化介質發生化學作用，造成腐蝕，即應力腐蝕，從而降低了零件的耐蝕性，殘余應力還改變了材料表面受載時的應力分布，降低了疲勞強度。

殘余應力對零件切削加工影響

對切削加工過程的影響車削零件的毛坯，一般為鑄件、鍛件、型材和經過熱處理的半成品，由于毛坯在形成的過程中，有過溫度的劇烈變化及受力變形，因此內部具有殘余應力，在切削時形狀發生變化，原應力平衡狀態被打破，導致了切削過程的變形。

1.產生切削殘余應力

金屬的切削，實質上是工件受刀具的擠壓和摩擦，使工件表面產生彈性變形和塑性變形，切削從母體分離的過程。在切削過程中，工件受到切削力，產生切削熱而使切削溫度上升，切削完成后，工件的已加工表面即產生了殘余應力，導致工件在后續使用中發生變形，精度降低，使用性能和下降，使用壽命縮短。

2.影響殘余應力的因素

（1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件溫度上升，殘余應力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，殘余應力也越大。

（2）刀具角度。增大刀具的前角，刃傾角，可使刀具鋒利，減小切削力。

（3）切削液。切削液具有潤滑和冷卻作用，在加工中使用切削液，可減小切削力和降低切削溫度，從而減小殘余應力。

減小和消除殘余應力的措施和方法

1. 采用合理的工藝結構

在零件的設計時，采用合理的工藝結構，避免厚薄不勻，尖角結構等，鑄件宜使用鑄造圓角。

2. 合理安排工藝路線

對于精密零件，粗、精加工分開。對于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一個工序內進行，故粗加工后先將工件松開，使其自由變形，再以較小的夾緊力夾緊工件進行精加工。

3. 采用合理的切削條件

在零件的精加工時，使用較小的切削和走刀量以及較高的切削速度，使用鋒利的刀具和使用切削液進行潤滑冷卻，以減小切削力和降低切削溫度，減小殘余應力。

4.采取時效處理技術

（1）自然時效處理。是指將焊接工件放置在自然環境中，依靠材料內部自身的弛豫過程逐漸減小殘余應力的方法。消耗時間長，且效果不穩定，不適用于所有材料和情況。

（2）熱時效處理。這是目前使用最廣的一種方法，但其投資和能源消耗都較大，使生產成本增加，而且精加工后零件進行加熱時效，有可能產生氧化而影響表面品質。

（3）振動時效處理。這是消除殘余應力、減少變形、保持工件尺寸穩定的一種新方法?？捎糜阼T造件、鍛件、切削加工工件等。它是以激振的形式，將機械能加到含有大量殘余應力的工件內，引起工件金屬內部晶格錯位蠕變，使金屬的結構狀態穩定，以減少和消除工件的內應力。不需龐大的設備，經濟簡便，效率高。交流頻譜諧波時效技術是在此機床上的發展，能消除60-70%的應力，在穩定尺寸和形狀精度上非常有效。