[科普中国]-消除应力

上至航天卫星的铝合金钢架，下至一个小小的螺丝钉，任何一个产出的工件都会产生应力，如何快速、环保的处理工件应力是所有与“机械”二字相关的企业都头疼的问题。 所有与“机械”二字相关的企业都需要面对消除工件应力的问题。

来源《航空精密制造技术》-2007年43卷1期-62-62页

消除应力研究“机械”有关的企业都可能用到它。

任何一个生产出的工件都会产生应力，这种力量来源于工件本身，比如铁件放置时间久了会产生弯曲变形，这就是应力对工件产生的变化。工件一旦发生变形就会对使用精度造成影响，必须通过消除应力来解决这一问题，尤其是那些必须经过长途运输以及在军工、航天领域使用的工件。

纵观全球相关领域，消除应力的方法大约有四种。

其一就是自然时效，通过自然放置消除应力，这种方法耗时过长，难以适应现代科技及生产需要；

其二是最传统、也是目前最普及的方法——热时效法，把工件放进热时效炉中进行热处理，慢慢消除应力。这种方法的缺点也非常显著，比如卫星制造厂对温度控制要求非常严格的铝合金工件以及长达十米或者更大的巨型工件都无法用这种方法处理。而且这种方法还带来了大量的污染和能源消耗，随着中国及世界范围内对环保的进一步要求，热时效炉的处理方式马上面临全面退出的境地。

第三种方法——利用亚共振来消除应力，这种方法虽然解决了热时效的环保问题，但是使用起来相当烦琐，要针对不同形状的工件编制不同的时效工艺，如果有几百上千种工件就要编几百上千种工艺，而且在生产时操作相当复杂，需要操作者确定处理参数，复杂工件必须是熟练的专业技术人员才能操作。更令人遗憾的是这种方法只能消除23%的工件应力，无法达到处理所有工件的目的。

目前可知的第四种方法就是振动时效消除应力，通过机械组装使之形成了一整套消除应力设备，它可以使工件在短时间内达到消除应力的作用，覆盖所有需要消除应力的工件。用频谱分析优选五个频率以多振型的处理方法达到消除工件应力的目的，所有形状大小的工件都可以使用这种设备完成，将激振器夹在工件上进行振动就可以达到消除应力的效果。相比其他方法，。举例来说，15吨左右的热时效炉，燃料多数使用电或天然气，每天开炉一次，时效成本在3000元以上，以每年使用300天计算，仅电或天然气费用每年为90万元。因为城市环保问题日益严重，热时效炉均远离城区，还要计算运输成本和时间成本。

应力相关知识应力定义“单位面积上所承受的附加内力”。公式记为其中，σ表示应力；ΔFj 表示在j 方向的施力；ΔAi 表示在i 方向的受力面积。 因为力是矢量，如果受力面积与施力同方向则称正应力，如图1所示的σx 与σy；如果受力面积与施力方向互相正交则称剪应力(shear stress)，如图所示的τxy 与τyx。

线应变在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用ε表示。一点在x、y、z方向的线应变分别为εx、εy、εz。线应变以伸长为正，缩短为负。

切应变单元体的两条相互垂直的棱边，在变形后的直角改变量，定义为角应变或切应变，用γ表示。一点在x-y方向、y-z方向z-x方向的切应变，分加别为γxy、γyz、γzx。切应变以直角减少为正，反之为负。

应力分类正向应力与剪应力

测量工具应力仪是来测定透明物体由于内应力而产生的双折射现象的仪器。这种双折射（应力）的来源，是由于均匀的冷却或外界机械作用等原因引起的。

如何消除应力目前我国采用的消除应力的方式主要有以下几种：

1.采用热时效的方法，把工件放进热时效炉中进行热处理，慢慢消除应力。

2.振动时效消除应力, 振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief” (简称VSR)，旨在通过专用的振动时效设备， 使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发 生微观的塑性变形——被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。

3.自然时效消除残余应力，自然时效时通过把零件暴露于室外，经过几个月至几年的时间，使其尺寸精度达到稳定的一种方法。大量的试验研究和生产实践证明，自然时效具有稳定铸件尺寸精度的良好效果。

消除应力热处理消除应力热处理（Stress Relieving）是指为了消除应力而进行的热处理。

去除应力，退火 铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到较低温度（例如，灰口铸铁是500～550℃，钢是500～650℃），保温一段时间,使金属内部发生弛豫，然后缓冷下来。应该指出,去除应力退火并不能将内应力完全去除，而只是部分去除，从而消除它的有害作用1。

消除应力裂缝中文名称

消除应力裂缝

英文名称

stress relief crack

定 义

焊后焊件在一定温度范围再次加热时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹。

应用学科

机械工程（一级学科），焊接与切割（二级学科），焊接缺陷与检验（三级学科）

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所