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什麼是殘餘應力
首先來一段官方的定義：殘餘應力 (Residual Stress) 是工件在製造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當這些因素消失之後，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內，則這種殘留的作用與影響就是殘餘應力。
有點暈？那換個通俗的方式跟大家講。比如說一個人之前很瘦，買了一條L號的牛仔褲，然而過了個年吃成了大胖子，這時候再穿這條牛仔褲，由於人長胖了而褲子沒變，因此他就會覺得褲子太緊了，這時候身體與褲子之間就有了很強的作用力，如果用力過猛很容易把褲子撕破，這種破壞力就是殘餘應力的作用效果。從能量作功的角度來理解，外力使物體發生塑性變形時會導致物體內部發生變形，因而積累一部分能量；當外力消除後，內部應力分佈不均勻的能量要進行釋放，如果物體的脆性低，則物體會緩慢變形，脆性高則形成裂紋。
圖1 殘餘應力作用效果
殘餘應力在機械製造中非常常見，往往各個工藝都會產生殘餘應力。不過，從本質上講，產生殘餘應力的原因可以歸結成三類：
- 第一類，不均勻的塑性變形；
- 第二類，不均勻的溫度變化；
- 第三類，不均勻的相變。
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殘餘應力的危害
從殘餘應力的分類可以看出，殘餘應力會引起物體緩慢變形，導致物體尺寸的改變，導致機械加工工件尺寸不合格，儀器生產中導致整臺儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造工件出現裂紋甚至斷裂，同時對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性和使用壽命等，也有著十分重要的影響。
鑄件在冷卻的過程中，由於工藝的不合理導致冷卻不均勻而產生殘餘熱應力導致鑄件斷裂：
圖2 鑄件冷卻時斷裂
熱處理的淬火過程中，過冷奧氏體進行馬氏體轉變時容易導致材料斷裂：
圖3 淬火過程金屬斷裂
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殘餘應力的測量
對於殘餘應力的測量，從大類上可以分為機械法、化學法和X射線法三種。
機械法
機械法中最為常見的是鑽孔法（也稱盲孔法），操作時從物體上截取一段長度為其直徑3倍的棒材（或管材），在其中心鑽一通孔，然後用膛杆或鑽頭從內部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除後測量試樣長度的延伸率和直徑的延伸率。
圖4 鑽孔法示意圖
圖5 鑽孔法作圖
繪製這些數值與鑽孔剖面積的關係曲線，用作圖法求出曲線上任意一點的導數，表徵延伸率與鑽孔剖面的變化率，然後代入相應的應力公式即可得到殘餘應力值。
化學法
化學法有兩種思想。一種想法是將試樣侵入到適當的溶液中，測量出自開始侵蝕到發現裂紋的經過時間，按此經過的時間來判斷殘餘應力的大小，所用的溶液，對於含錫青銅可用水銀及含水銀的鹽類，對於鋼可用弱鹼及硝酸鹽類；另一種想法是將試樣吊浸在適當的溶液裡，隔一定時間來稱其重量。這樣就可以得到一個重量減小量與經過時間的關係曲線，與標準曲線相比較，以判定殘餘應力的大小，所得到的曲線的位置比標準曲線越高，則表示物體內的殘餘應力越大。
圖6 化學法浸泡待測金屬
圖7 化學法的稱重曲線
X射線法
X射線法可利用X射線穿透金屬件，其中勞埃法是通過干擾斑點形狀的變化來定性地確定殘餘應力。
圖8 X射線法原理示意
當無殘餘應力存在時，各干擾斑點呈點狀分佈。有殘餘應力時，各干擾斑點伸長，呈“星芒”狀。
(a)無殘餘應力；(b)殘餘應力存在
圖9 勞埃法測量結果
德拜法可以定量地測出所存在的殘餘應力，具體可以根據德拜圖上衍射射線條位置、射線線條寬度和強度的變化來確定。
(a)透射法；(b)背射法
圖10 德拜法示意圖
總結一下，機械法和化學法是有損測試方法，需要對待測物體局部取樣，而且測試後損壞不可逆；X射線法是一種無損測試方法，可保持物體的完整性。機械法能夠較為精確地確定殘餘應力的大小和分佈，一般適用於棒形或管形的物體；化學法適用於金屬絲、薄片類型的物體，但化學法只能進行定性判斷，很難做到定量描述；X射線法雖然是一種“非破壞性”的方法，但此方法僅適用於能夠給出較清晰敏銳的衍射線條的某些材料，並由於X射線的投射能力較小，只能探明物體接近表面部分的情況。
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殘餘應力的消除
既然殘餘應力危害這麼多，那麼行之有效的消除方法就顯得十分必要了。消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動時效和機械處理四種方法。
熱處理法
熱處理就是利用殘餘應力的熱鬆弛效應消除或降低殘餘應力，一般採用退火、回火等方式進行處理。
圖11 熱處理之退火處理
靜載荷加壓，就是使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形來調整工件的殘餘應力。例如大型壓力容器，在焊接之後，在其內部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭髮生微量塑性變形，以減小焊接殘餘應力。
圖12 經過脹形處理的大型油罐
振動時效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡稱VSR。振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘餘內應力的方法，是通過振動，使工件內部殘餘的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以鬆弛和減輕。
圖13 應變可量化式振動時效系統
機械處理，就是利用物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘餘應力，包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘餘應力。
圖14 打鐵鍛造
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