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殘餘應力的秘密：為什麼它對金屬零件如此重要？
在材料科學和固體力學中，殘餘應力是指在固體材料中，當原始造成應力的因素被移除後，仍然存在的應力。這種殘餘應力可以是有益的，也可以是有害的。例如，激光沖擊處理可以將有利的壓縮殘餘應力深度引入金屬零件，如渦輪發動機風扇葉片。這項技術還被應用於強化玻璃，使得大型、扁平而抗裂、抗刮的智能手機顯示器得以實現。
殘餘應力可能是設計中的重要考量，因為它們能顯著影響材料的性能和壽命。
然而，設計結構中無意的殘餘應力可能會導致其過早失效。這些應力可以來自多種機制，包括非彈性（塑性）變形、溫度梯度（在熱循環過程中）或結構變化（相變）。例如，焊接過程中產生的熱量可能導致局部膨脹，焊接完成後，隨著某些區域的冷卻和收縮，留下一定的殘餘應力。
另一個例子是在半導體和微系統製造中，當具有不同熱學和晶體特性的薄膜材料在不同處理條件下依次沉積時，材料中殘餘應力的變化可能是非常複雜的。
應用
雖然不受控制的殘餘應力是不可取的，但某些設計卻依賴於它們。特別是，脆性材料可以通過包括壓縮殘餘應力來增強韌性，例如強化玻璃和預應力混凝土。在脆性材料中，失效的主要機制是脆性斷裂，這往往始於初始裂紋的形成。當施加外部拉伸應力時，裂紋的尖端會集中應力，增加裂紋尖端經歷的局部拉應力。
壓縮殘餘應力的存在有助於防止脆性斷裂的發生，因為初始裂紋是在壓縮（負拉伸）應力下形成的。
例如，某些劍的製造利用馬氏體形成的梯度來產生特別硬的刀刃，這使得這些劍具有特徵性的曲線。在強化玻璃中，表面被誘導的壓縮應力與玻璃本體中的拉伸應力達成平衡，使得強化玻璃對裂紋的抵抗力增強。
壓縮殘餘應力
常見的壓縮殘餘應力誘導方法包括噴丸處理和高頻衝擊處理。根據方法的不同，壓縮殘餘應力的深度會有所變化，這些方法可以顯著延長構件的使用壽命。
殘餘應力的測量技術
有許多技術可用於測量殘餘應力，這些技術大致分為破壞性、半破壞性和非破壞性技術。技術的選擇取決於需要的信息以及測量樣本的性質，例如對測量深度、尺度、解析度及樣本的幾何形狀和位置的考量。
破壞性技術
破壞性技術會對樣本造成不可逆的結構改變，因此樣本不能再投入使用。這些技術利用“應變釋放”原則，通過切割樣本來釋放殘餘應力，然後測量變形形狀。例如，輪廓法、劈裂（裂紋符合度）等方法。這些方法對於海量測量殘餘應力提供了重要資訊，但往往需要破壞測試樣本。
半破壞性技術
這些技術與破壞性方法類似，但只去除少量材料，保持結構的整體完整性。例如，深孔鉆孔和中心孔鉆孔的技術就僅限於小範圍內的應變釋放。
非破壞性技術
非破壞性技術則測量殘餘應力的效應和其行為，透過晶格結構變化來進行相對測量。這類技術包括超聲波技術和磁性技術，通常不會改變材料的結構。
殘餘應力的緩解
當不希望的殘餘應力存在於金屬加工過程中時，可以通過一些方法來減少這些應力，這些方法可分為熱方法和機械方法。熱方法通常涉及改變整體材料的溫度，而機械方法則使用噴丸處理或激光沖擊處理等技術來轉換應力形式。
結論
殘餘應力在材料的使用壽命、性能及其設計中起著至關重要的作用。它不僅影響材料的耐用性，也可以用於增強材料特性。然而，如何有效地控制和應用殘餘應力，仍然是材料科學界面臨的挑戰之一。在未來的技術進步中，我們能如何進一步利用殘餘應力的特性，以提升材料的性能和安全性呢？
