生产制造过程中的“捣蛋鬼”——残余应力

小侄子馋着要吃西瓜，买回来后，他迫不及待地拿起刀，刀尖刚碰到西瓜，就听到“砰”的一声西瓜裂了一个大口子。

 

 

生长更快的瓜瓤被瓜皮压缩禁锢，瓜皮被瓜瓤撑着，两者之间存在力的平衡。但当瓜皮被刀扎到时，外力使瓜皮的完整性被破坏，无法继续承受瓜瓤带来的力，平衡瞬间被打破，瓜瓤所受的压力释放，导致瓜皮炸开。

 

 

实际上，瓜皮和瓜瓤都“变形”了，瓜瓤被压缩，不是没有束缚的自由状态，瓜皮也受到力的作用，两者都“暗暗使劲”试图使自己恢复到“变形”以前的状态，两者产生的力我们可以称为应力（内应力）。完好的西瓜能保持力的平衡，只是因为受到的内应力合力为零，而并非其内部结构的力不存在，这些留在物体内自相平衡的内应力便是残余应力。 

 

瓜皮和瓜瓤给了我们一个比较直观的概念，但实际上在航空航天领域，零部件在机械加工、工艺强化时，残余应力产生的过程和原因复杂多样，主要有三大因素：不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化和不均匀的相变。材料制备过程中，消除外力或不均匀的温度场等作用后，仍留在材料内的内应力不是技术人员所期待的，残余应力一般情况下都是个“捣蛋”的角色。

 

费尽千辛万苦生产的锻件，淬火时一入水拧成了麻花状；好端端的金属板，铣切加工时一刀下去，原本平整的平面瞬时发生了翘曲；轧制的薄板，热处理入水时还光亮平整如明镜，出水时却暗淡春光皱纹满面……

 

这是由于残余应力原本的平衡被打破，导致残余应力释放和重新分布，引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂，或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。这些生产制造过程中看得见的危害就已经令材料制备者头疼不已，然而更严重的是成型产品中的残余应力，甚至可能成为引发空难的罪魁祸首。 

1972年底和1973年初，两架L-1011飞机先后发生RB211发动机风扇盘甩离机体的严重故障，所幸飞机迫降成功而未造成人员伤亡。事故原因之一便是风扇盘加工中的残余应力在热处理后未能全部消除，从而降低了其使用强度。

由于残余应力的“捣蛋”属性危害不小，科学家们一般通过机械检测和无损检测来“抓住”残余应力，并针对残余应力产生的不同原因研究不同的解决方法。 

 

• 针对熔炼、锻造、轧制、焊接、切削等加工过程，调整工艺参数，从源头减轻残余应力的产生。

• 针对铝合金锻件、轧制板材，采用冷拉伸、冷压缩等残余应力消除工艺，发明低温长时保温的去应力退火方式。 

• 针对金属结构，采用强力激振器，使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后，超过材料屈服应力引起塑性应变，从而引起内应力的降低和重新分布。 

 

然而，由于材料制备工艺、零件结构等方面的限制，很多情况下残余应力依然难以除去，于是如何利用残余应力成了“驯服”的另一条新途径。 

 

▲喷丸强化

人们逐渐发现在材料表面引入残余压应力，可以提高材料的强度、延长材料疲劳寿命、提高其抗应力腐蚀的性能。采用喷丸强化和孔挤压强化等工艺方法目前能取得较好的效果。喷丸强化即采用铸钢丸、陶瓷丸等丸粒对材料表面进行击打，孔挤压强化即采用直径略大于孔的销棒挤压孔内壁。残余应力是一把双刃剑，以合适的状态放在合适的位置也能带来惊喜。