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你知道嗎？壓縮殘餘應力如何讓脆性材料變得更堅韌？
在材料科學和固體力學領域，殘餘應力是指在原始應力來源移除後，仍然留在固體材料中的應力。殘餘應力可以是有益的，亦或是有害的。例如，透過激光預處理技術，金屬元件如渦輪引擎的風扇葉片能夠獲得深入且有益的壓縮殘餘應力；而在強化玻璃中，殘餘應力則使大尺寸的薄型顯示屏具備抗裂和抗刮的特性。
然而，無意間產生的殘餘應力可能會導致設計結構的提早失效。殘餘應力可能由多種機制造成，包括非彈性（塑性）變形、溫度梯度（如在熱循環過程中）或結構變化（如相變化）。舉例來說，焊接過程中的熱量可能導致局部膨脹，而這在焊接過程中被熔融金屬或焊接部件吸收。當焊接結構冷卻時，某些區域的冷卻和收縮速度不一樣，進而產生殘餘應力。
當外部拉伸應力施加於脆性材料上，裂紋尖端的應力會集中，從而增加裂紋尖端承受的局部拉伸應力，這使得初始裂紋快速擴大，導致破裂。
對於脆性材料而言，壓縮殘餘應力可以通過防止脆性破壞來提高材料的韌性。脆性材料的主要失效機制是脆性破壞，它從初始裂紋形成開始。當施加的外部拉伸應力超過壓縮殘餘應力時，裂縫的尖端將會受到足夠的拉伸應力以促進裂紋擴展。因此，若能在材料內部創造出壓縮殘餘應力，將能有效抵禦破壞的發生。
在實際應用中，某些設計故意依賴於殘餘應力的特性。例如，製作某些刀劍（如日本的武士刀）時，運用馬氏體形成的梯度來形成特別硬的刀鋒。這種刀具更軟的背面和更硬的刀鋒之間的殘餘應力差異使得這些刀具具有獨特的曲線，並且在切割過程中展現出優異的性能。
在強化玻璃中，表面會產生壓縮應力，並且由玻璃主體的拉伸應力所平衡。由於表面的壓縮殘餘應力，強化玻璃對裂紋的抵抗力較強，但一旦外表面破損，整個材料則有可能分裂成小碎片。
這些效應可以通過一些專門的方法來產生壓縮殘餘應力。例如，通常應用於焊接接頭的噴丸處理技術，就是一種以提高元件使用壽命的手段。透過控制應力的分佈，這些技術不僅可以增加材料的耐用性，還能相應改善其在製造和應用中的性能。
測量殘餘應力的技術有許多種，根據其方法可分為毀損性、半毀損性和非毀損性技術。選擇何種技術的考量因素包括測量的深度、所需信息的解析度以及材料的幾何形狀等等。毀損性技術會對被測材料造成重大損傷，通常不會允許其再次投入使用，而非毀損性測量方式則可以保留測試材料的完整性。
進行應力釋放的熱方法涉及均勻改變整個部件的溫度；透過加熱或冷卻的方式來實現。
對於除去不必要的殘餘應力的需求，通常會運用這些選擇，包括熱處理和機械處理。機械方法如噴丸和激光處理能夠有效地減小不利的表面拉伸應力，並創造有益的壓縮殘餘應力。而輪廓測量和深孔鑽等方法也可以用於測量和調整材料的內部結構狀態。
隨著對高性能材料需求的增長，壓縮殘餘應力的生成和控制在材料設計及應用中變得越來越重要。未來，在製造過程中如何利用和管理這些殘餘應力，以提升材料的整體性能，將成為重要的挑戰與機遇。我們是否能夠在這些挑戰中找到新的解決方案，並應用到更廣泛的領域中呢？
