残余应力在几种典型工况下的产生

(1) 热应力

由于铸件各部分的薄厚不一样(如机床床身导轨部分很厚，侧壁、筋板部分较薄)，铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压应力也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力随塑性变形而消失。

铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。

这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡的拉压应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

(2)相变应力

常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀 ，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于塑性状态，应力虽然不断产生，但又不断被塑性变性所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方结构变为体心立方结构(既γ—Fe变为a —Fe)，同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃ 和738 ℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反，相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不在产生相变应力，因此铸件由于薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。

(3)收缩应力(亦叫机械阻碍应力)：

铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。

焊后冷却时，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态。这时焊缝收缩，较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压应力，影响区受拉应力。但焊缝处于塑性状态，焊缝的塑性墩粗，松弛了此应力。

热影响区温度不断降低，冷却速度也变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向发生了转变，焊缝受拉应力，热影响区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快，收缩量大，热影响区温度低，冷却速度低，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果焊缝受拉应力，热影响区受压应力。此时没有塑性变形，这一对压应力，随着温度的降低，焊缝收缩受阻碍越来越大，拉应力也越来越大，直至室温，拉应力可近似于屈服极限。

残余应力是工件变形、断裂、疲劳寿命的重要原因，为保证工件生产的合格率及精密度，残余应力检测必不可少。在目前应用较为广泛的残余应力检测方法中，X 射线残余应力检测法较为成熟且稳定。但是检测仪器比较笨重，操作耗时且伴随着辐射。而超声波应力检测法操作简便、快速、不损伤材料，也不会对检测人员造成伤害。