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残余应力的秘密：为什么它对金属零件如此重要？
在材料科学和固体力学中，残余应力是指在固体材料中，当原始造成应力的因素被移除后，仍然存在的应力。这种残余应力可以是有益的，也可以是有害的。例如，激光冲击处理可以将有利的压缩残余应力深度引入金属零件，如涡轮发动机风扇叶片。这项技术还被应用于强化玻璃，使得大型、扁平而抗裂、抗刮的智能手机显示器得以实现。
残余应力可能是设计中的重要考量，因为它们能显著影响材料的性能和寿命。
然而，设计结构中无意的残余应力可能会导致其过早失效。这些应力可以来自多种机制，包括非弹性（塑性）变形、温度梯度（在热循环过程中）或结构变化（相变）。例如，焊接过程中产生的热量可能导致局部膨胀，焊接完成后，随着某些区域的冷却和收缩，留下一定的残余应力。
另一个例子是在半导体和微系统制造中，当具有不同热学和晶体特性的薄膜材料在不同处理条件下依次沉积时，材料中残余应力的变化可能是非常复杂的。
应用
虽然不受控制的残余应力是不可取的，但某些设计却依赖于它们。特别是，脆性材料可以通过包括压缩残余应力来增强韧性，例如强化玻璃和预应力混凝土。在脆性材料中，失效的主要机制是脆性断裂，这往往始于初始裂纹的形成。当施加外部拉伸应力时，裂纹的尖端会集中应力，增加裂纹尖端经历的局部拉应力。
压缩残余应力的存在有助于防止脆性断裂的发生，因为初始裂纹是在压缩（负拉伸）应力下形成的。
例如，某些剑的制造利用马氏体形成的梯度来产生特别硬的刀刃，这使得这些剑具有特征性的曲线。在强化玻璃中，表面被诱导的压缩应力与玻璃本体中的拉伸应力达成平衡，使得强化玻璃对裂纹的抵抗力增强。
压缩残余应力
常见的压缩残余应力诱导方法包括喷丸处理和高频冲击处理。根据方法的不同，压缩残余应力的深度会有所变化，这些方法可以显著延长构件的使用寿命。
残余应力的测量技术
有许多技术可用于测量残余应力，这些技术大致分为破坏性、半破坏性和非破坏性技术。技术的选择取决于需要的信息以及测量样本的性质，例如对测量深度、尺度、解析度及样本的几何形状和位置的考量。
破坏性技术
破坏性技术会对样本造成不可逆的结构改变，因此样本不能再投入使用。这些技术利用“应变释放”原则，通过切割样本来释放残余应力，然后测量变形形状。例如，轮廓法、劈裂（裂纹符合度）等方法。这些方法对于海量测量残余应力提供了重要资讯，但往往需要破坏测试样本。
半破坏性技术
这些技术与破坏性方法类似，但只去除少量材料，保持结构的整体完整性。例如，深孔钻孔和中心孔钻孔的技术就仅限于小范围内的应变释放。
非破坏性技术
非破坏性技术则测量残余应力的效应和其行为，透过晶格结构变化来进行相对测量。这类技术包括超声波技术和磁性技术，通常不会改变材料的结构。
残余应力的缓解
当不希望的残余应力存在于金属加工过程中时，可以通过一些方法来减少这些应力，这些方法可分为热方法和机械方法。热方法通常涉及改变整体材料的温度，而机械方法则使用喷丸处理或激光冲击处理等技术来转换应力形式。
结论
残余应力在材料的使用寿命、性能及其设计中起着至关重要的作用。它不仅影响材料的耐用性，也可以用于增强材料特性。然而，如何有效地控制和应用残余应力，仍然是材料科学界面临的挑战之一。在未来的技术进步中，我们能如何进一步利用残余应力的特性，以提升材料的性能和安全性呢？
