在材料科学和固体力学领域,残余应力是指在原始应力来源移除后,仍然留在固体材料中的应力。残余应力可以是有益的,亦或是有害的。例如,透过激光预处理技术,金属元件如涡轮引擎的风扇叶片能够获得深入且有益的压缩残余应力;而在强化玻璃中,残余应力则使大尺寸的薄型显示屏具备抗裂和抗刮的特性。
然而,无意间产生的残余应力可能会导致设计结构的提早失效。残余应力可能由多种机制造成,包括非弹性(塑性)变形、温度梯度(如在热循环过程中)或结构变化(如相变化)。举例来说,焊接过程中的热量可能导致局部膨胀,而这在焊接过程中被熔融金属或焊接部件吸收。当焊接结构冷却时,某些区域的冷却和收缩速度不一样,进而产生残余应力。
当外部拉伸应力施加于脆性材料上,裂纹尖端的应力会集中,从而增加裂纹尖端承受的局部拉伸应力,这使得初始裂纹快速扩大,导致破裂。
对于脆性材料而言,压缩残余应力可以通过防止脆性破坏来提高材料的韧性。脆性材料的主要失效机制是脆性破坏,它从初始裂纹形成开始。当施加的外部拉伸应力超过压缩残余应力时,裂缝的尖端将会受到足够的拉伸应力以促进裂纹扩展。因此,若能在材料内部创造出压缩残余应力,将能有效抵御破坏的发生。
在实际应用中,某些设计故意依赖于残余应力的特性。例如,制作某些刀剑(如日本的武士刀)时,运用马氏体形成的梯度来形成特别硬的刀锋。这种刀具更软的背面和更硬的刀锋之间的残余应力差异使得这些刀具具有独特的曲线,并且在切割过程中展现出优异的性能。
在强化玻璃中,表面会产生压缩应力,并且由玻璃主体的拉伸应力所平衡。由于表面的压缩残余应力,强化玻璃对裂纹的抵抗力较强,但一旦外表面破损,整个材料则有可能分裂成小碎片。
这些效应可以通过一些专门的方法来产生压缩残余应力。例如,通常应用于焊接接头的喷丸处理技术,就是一种以提高元件使用寿命的手段。透过控制应力的分布,这些技术不仅可以增加材料的耐用性,还能相应改善其在制造和应用中的性能。
测量残余应力的技术有许多种,根据其方法可分为毁损性、半毁损性和非毁损性技术。选择何种技术的考量因素包括测量的深度、所需信息的解析度以及材料的几何形状等等。毁损性技术会对被测材料造成重大损伤,通常不会允许其再次投入使用,而非毁损性测量方式则可以保留测试材料的完整性。
进行应力释放的热方法涉及均匀改变整个部件的温度;透过加热或冷却的方式来实现。
对于除去不必要的残余应力的需求,通常会运用这些选择,包括热处理和机械处理。机械方法如喷丸和激光处理能够有效地减小不利的表面拉伸应力,并创造有益的压缩残余应力。而轮廓测量和深孔钻等方法也可以用于测量和调整材料的内部结构状态。
随着对高性能材料需求的增长,压缩残余应力的生成和控制在材料设计及应用中变得越来越重要。未来,在制造过程中如何利用和管理这些残余应力,以提升材料的整体性能,将成为重要的挑战与机遇。我们是否能够在这些挑战中找到新的解决方案,并应用到更广泛的领域中呢?