Page 171 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第五章 焊接与热处理工艺仿真技术

为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，
它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的
方法进行测量；②微观残余应力属于显微视野范围内的应力，依其作用的范围细

分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）
和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。
2. 残余应力的本质
一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形

的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。在机械制造
中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是
由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需
要达到平衡而形成的相互作用。产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性

变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。如金属合金在淬火过程中，内部形成
很大的残余应力，机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态，所以零件产生变
形。当零件刚性较大，形状对称时，变形较小。反之，则变形十分明显。在工件
内部实际应力的情况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶

界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的
综合结果。
3. 残余应力的影响
机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、

尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥
氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆”，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，黄铜在
带有氨气气氛中的“氨脆”等等属于应力腐蚀开裂，所有这些应力腐蚀主要是由
于残余应力引起的。

尺寸稳定性是表示材料在热处理与加工完毕后，在工作环境下不受外力作用
或在低于弹性极限的应力作用下抵抗永久变形的能力以及在加工过程中保持尺寸
不变的能力。一般认为，长期存放过程中金属尺寸的自发变化是以下因素的结果：
①材料的相与组织状态的不稳定性；②在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在

机械装配操作时零件中发生残余内应力的松弛；③ Paquin 等认为性能的不均匀
性即各向异性材料导致材料在加热过程中诱发残余应力的松弛，也是尺寸不稳定
性的一个内因。在仪器仪表制造业、航空工业中以及宇航工业，构件的尺寸稳定

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