程勇杰，王燕霜，林江海，黃鵬程，申玉海

表面殘余應力影響因素和調控技術的研究進展

程勇杰1,2，王燕霜1,2，林江海1,2，黃鵬程1,2，申玉海1,2

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院） 機械與汽車工程學院，濟南 250300；2.山東省機械設計研究院，濟南 250300）

殘余應力的存在在一定程度上影響了工件的疲勞壽命和抗腐蝕能力等，調控工件內部殘余應力的分布在工程應用上具有很高的研究價值，合理調控應力能夠有效抵抗工件表面的裂紋萌生，提高工件表面整體完整性。具體闡述了殘余應力的概念和分類；分別從銑削、磨削和焊接角度歸納了傳統(tǒng)加工過程中殘余應力的產生機理及其對材料性能的影響；對相關殘余應力檢測技術的原理和優(yōu)缺點進行論述；概述了殘余應力有限元計算方法；綜述了各種加工方法下，工藝參數(shù)對工件表面殘余應力產生的影響；針對優(yōu)化工藝參數(shù)調控殘余應力無法滿足工件的整體性能需求，歸納了時效法調控殘余應力的機理；綜述了能夠進行應力調控的表面強化處理技術，包括機械作用下的孔擠壓強化、超聲振動磨削、噴丸工藝、超聲滾壓和激光沖擊、能量外部輸入下的高能聲束調控技術、高能量密度脈沖電流和激光輻照應力調控技術。此外，針對單一表面強化處理技術調控殘余應力的不足，概述了超聲擠壓-激光沖壓、激光沖擊-超聲滾壓以及激光沖擊-噴丸等相關的復合表面強化工藝。最后，指出了表面強化處理技術處理復雜曲面，以及復合表面強化工藝是未來表面完整性加工的發(fā)展方向。

殘余應力；應力檢測；疲勞壽命；參數(shù)優(yōu)化；表面強化處理

工件中存在殘余應力的主要原因是工件內部產生了不均勻的塑性變形。在毛坯的制備、熱處理、車削、磨削及裝配過程中，每一步工序都會產生不同程度的殘余應力[1]。采用普通機械加工方法對工件進行切削加工時，隨著切削時間和切削速度的增加，工件表面發(fā)生一定溫度的變化，溫度的波動使工件產生熱塑性變形以及內部晶相的改變，使工件產生殘余應力。殘余應力對工件的抗疲勞性和整體表面完整性產生極大的影響，可造成工件變形和開裂，促進工件在使用過程中疲勞裂紋的萌生，制約工件的使用壽命。在許多工程應用中，零件的壽命極限會受到殘余應力的影響，通過時效法或表面強化處理技術，能夠有效地對殘余應力進行消除和調控，從而達到提高工件疲勞壽命的目的。研究殘余應力調控技術在工程中具有很高的應用價值。

本文將對殘余應力的概念和類別進行闡述，以銑削、磨削和焊接為對象，分析殘余應力的產生機理，以及殘余拉壓應力對材料性能的影響；闡述優(yōu)化工藝參數(shù)以調控工件殘余應力并使工件獲得最優(yōu)表面質量的方法；概述殘余應力檢測技術的原理和優(yōu)缺點，歸納時效法和表面強化處理技術對工件殘余應力調控的工作原理；對優(yōu)化工藝參數(shù)調控應力分布進行總結以及對相關殘余應力調控技術做出展望。

1 殘余應力的概念和分類

機械加工過程中，刀具作用在工件上的外力會在工件內部傳遞，當外力傳遞中斷后，工件內部會產生一個保持平衡的應力系統(tǒng)，被稱為固有應力，殘余應力是固有應力的一種[1]。按作用范圍的不同內應力分為三大類，宏觀范圍內分布的內應力是第一大類，又稱為宏觀殘余應力。GB/T 7704—2017《無損檢測X射線應力測定方法》提出對宏觀殘余應力比較明確的定義：沒有外力或外力矩影響，工件內部自身保持平衡的應力[2]。機械加工過程中，材料的表面會受到外載荷，在距材料表面一定距離范圍內產生塑性變形，當外部載荷卸去后，彈性變形恢復，塑性變形保留，形成一個相互平衡的力，即為殘余應力。王增強等[3]通過彈簧示意圖形象地說明了宏觀殘余應力的概念，如圖1所示。3根在自由狀態(tài)下不同長度的彈簧，將它們限制在某一定長度的束縛板內，3根彈簧內部就會產生大小不同的力。當作用在彈簧表面的束縛板撤銷后，工件內還有變形未恢復，就會產生殘余應力。

圖1 殘余應力的彈簧模型示意圖[3]

微觀殘余應力則是第二類內應力和第三類內應力，指微觀組織之間的平均應力和晶粒內部的應力。熱影響引發(fā)組織的轉變，造成材料內部體積的變化產生相變應力。材料進行化學處理（如滲碳、滲氮等）時，形成新的化合物組織，化學成分的改變導致材料內部密度變化而產生應力。夾雜物、相變、體積變化及熱應力的作用產生的殘余應力屬于組織結構間產生的殘余應力。晶體的熱膨脹系數(shù)和彈性模量的各向異性、晶粒間的方位不同以及晶粒的滑移、位錯、纏結和雙晶的形成會導致形成組織內部的缺陷，外力去除后仍保留缺陷，形成晶體內的微觀殘余應力[4]。

2 殘余應力產生機理及其對材料性能的影響

工件內部的殘余應力會導致工件的二次變形，影響工件整體性能的穩(wěn)定[5]。工件加工方式不同，殘余應力場受控的條件也不同，因此產生機理也會不同。

2.1 銑削殘余應力

對工件進行銑削加工時，在刀具-工件接觸區(qū)會發(fā)生塑性變形、擠壓效應和熱效應，從而導致殘余應力形成[6]。銑削加工時，工件表層發(fā)生彈塑性變形，隨著切屑的脫離，工件表層產生殘余拉應力而心部產生殘余壓應力。強烈的塑性變形和摩擦使工件表層溫度很高，而心部溫度較低，切削后冷卻到室溫時，表層和心部溫差變化不同，金屬收縮程度不同，表層受心部金屬阻礙作用產生殘余拉應力，心部則產生殘余壓應力。另外，切削時表層的溫度超過相變溫度時，表層金屬會發(fā)生相變，其內部微觀組織形態(tài)發(fā)生轉變，其體積增大而膨脹，受到內部金屬阻礙作用，表層金屬內會產生殘余壓應力，反之，表層內則產生殘余拉應力[7]。王立濤等[8]采用彈塑性有限元法定性分析了銑削殘余應力的產生原因，認為工件所受外載荷不均勻、工件內部組織的不均勻或晶粒的位差可引起工件內部發(fā)生不均勻塑性和彈性變形，從而導致工件內殘余應力的形成。董兆偉等[9]采用有限元法對金屬的銑削加工進行了分析，通過對工件某一截面的殘余應力分布情況進行分析發(fā)現(xiàn)：工件表層發(fā)生強烈的塑性變形，在剪切拉伸作用下，表層產生殘余拉應力，而里層的金屬在彈性作用下產生殘余壓應力。銑削殘余應力成因可以歸納為：機械應力引起的塑性變形效應、熱應力引起的塑性變形效應和表層局部金相組織轉變[10]。

銑削殘余應力大小和分布，根據(jù)工件材料和切削條件的不同呈現(xiàn)不同的規(guī)律，工件的上表面一般表現(xiàn)出拉應力，但有時也得到壓應力。殘余拉應力在一定程度上降低工件疲勞強度，嚴重時工件表面產生裂紋，影響工件的使用壽命，而殘余壓應力則能提高工件的疲勞強度和抗腐蝕性能。工件各部位殘余應力的釋放和重新分布，將導致殘余應力分布不均勻，影響工件的形狀和尺寸穩(wěn)定性[11]。Yang等[12]研究了鈦合金Ti-6AI-4V工件周邊銑削殘余應力對疲勞性能的影響得出：表面殘余壓應力和最大殘余壓應力均有利于延長疲勞壽命；而加工表面能越大，疲勞壽命越短；最大壓應力對疲勞壽命的影響比其他殘余應力因素要大。

2.2 磨削殘余應力

磨削加工可以看作是采用具有無數(shù)微型切削刃的砂輪進行切削，可改善工件表面質量，但同時會產生大量的磨削熱。磨粒的機械作用在工件表層引起塑性變形，在磨粒與工件的接觸位置附近形成赫茲型應力場，但機械應力的作用有限，只在工件表層產生殘余壓應力。大量的磨削熱使工件表層溫度升高，導致材料表層受熱膨脹，但工件內部限制其膨脹，使材料表層產生很大的壓應力，此壓應力很容易超過工件材料的屈服強度而產生塑性變形。冷卻過程中，表層將存在殘余壓應變，產生殘余拉應力[13]。同時磨削熱引發(fā)相變應力，產生應力類型與磨削前后金相改變的體積對比有關，比體積小的相向比體積大的相轉變時，產生殘余拉應力，反之，則產生殘余壓應力[14]。田欣利等[15]采用單顆粒金剛石模擬砂輪磨削來研究殘余應力產生的機理，結果表明：磨削工件表面產生的殘余應力是由磨粒刃作用引起的擠壓應力、切削應力以及熱應力的綜合作用引起的。劉偉香等[16]通過陶瓷材料的磨削試驗發(fā)現(xiàn)：擠壓應力產生殘余壓應力；切削應力引起的殘余應力存在拉、壓應力2種可能，但影響要比擠壓應力??；熱應力產生殘余拉應力。Nelias等[17]采用半解析方法（SAM），模擬磨削刀具與工件之間的接觸，分別研究機械（法向力和切向力）和磨削熱下殘余應力的產生，解決了瞬態(tài)三維接觸問題，對磨削殘余應力的預測更加全面。

引發(fā)磨削裂紋的三要素是材料斷裂極限、工件原有應力和磨削應力。磨削加工時，當工件的內應力超過材料的斷裂極限就會產生磨削裂紋，材料的拉伸斷裂極限比壓縮斷裂極限低，則磨削拉應力更容易產生裂紋，而殘余壓應力不僅能抑制裂紋的產生，而能促進裂紋的閉合[18]。沿著磨削方向會產生較大的磨削拉應力，因此磨削裂紋常垂直于磨削方向分布，如圖2所示。磨削殘余應力對耐磨性的影響也非常顯著，當表面為低壓應力時，工件的耐磨性較好，表面為拉應力時則耐磨性極差。因此，磨削后保持工件表面處于壓應力狀態(tài)是提高材料疲勞壽命和耐磨性所期望的。

圖2 磨削裂紋[18]

2.3 焊接殘余應力

焊接是鋼結構工件連接常用的加工方法，通過增加局部溫度引起原子之間的遷移使2個工件彼此相互接合[19]。焊接殘余應力按發(fā)生源可以分為直接應力、間接應力和組織應力三大類。直接殘余應力是焊接過程中不均勻加熱和冷卻的結果。間接殘余應力是對焊接件預處理使焊件存在部分殘余應力并疊加到整體焊件中。組織殘余應力是材料晶相組織改變產生的應力。高溫使材料的屈服極限降低，發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，但熱膨脹運動受低溫區(qū)材料的約束，冷卻時焊縫區(qū)材料的收縮量大于低溫區(qū)，使焊縫位置產生較大的焊接殘余拉應力。高廣明等[20]對焊接區(qū)和相鄰區(qū)域殘余應力進行分析，發(fā)現(xiàn)拉伸殘余應力分布在焊接區(qū)，壓縮殘余應力存在相鄰區(qū)域。梁明[21]從焊接工件受熱不均、熱源不同和焊接前預處理角度分析了焊接殘余應力的產生機理。

焊接殘余應力影響焊接件的多種性能，附加應力與焊接殘余壓應力共同作用達到屈服極限時，工件的有效截面積降低，剛度和穩(wěn)定性將隨之下降。焊縫殘余拉應力的存在易產生應力腐蝕開裂，拉應力值越大，腐蝕開裂時間越短。焊接工件的疲勞強度取決于應力循環(huán)，應力循環(huán)的平均值變大，其幅值下降，疲勞強度降低，當應力集中范圍存在殘余拉應力時，抗疲勞性能將下降[22]。焊接工件為脆性材料時，殘余拉應力與外載荷共同作用下，焊接件易斷裂，對焊接件進行部分切除時，打破該區(qū)域的殘余應力平衡狀態(tài)，工件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性將受到影響[23]。Yadav等[24]研究了殘余應力和平均應力對鋁合金焊接件疲勞行為的綜合影響，結果表明：殘余拉應力導致平均應力增加，造成裂紋擴張范圍增大，降低了焊接接頭的疲勞壽命；由于拉伸殘余應力的累積效應和微觀組織對裂紋擴展的阻礙，隨著載荷幅值的變化，裂紋的形核位點將發(fā)生位移。

殘余應力的產生是一個復雜的過程，其產生機理歸納如下：（1）機械加工時，工件表面受外部應力作用而產生的冷塑性變形；（2）機械加工時，生熱及冷卻過程造成的工件的熱塑性變形；（3）機械加工時，溫度的升高使材料的內部晶相組織改變[25]。一般傳統(tǒng)切削加工，首先發(fā)生冷塑性變形產生的殘余應力，隨著機械加工溫度的升高，熱塑性變形以及晶相組織的改變也產生殘余應力，3種殘余應力共同主導整個殘余應力場的產生。

3 殘余應力檢測技術與有限元計算方法

3.1 殘余應力檢測技術概況

20世紀30年代殘余應力檢測技術開始得到應用，隨著微電子技術和計算機的普及，以及試驗方法和測試儀器的不斷更新，檢測數(shù)據(jù)的可信度大大提高，逐漸發(fā)展形成了射線法、磁測法、超聲法、曲率法和拉曼光譜法等無損檢測技術，以及小孔釋放法、深孔法、環(huán)芯、剝層法、切槽法和云紋干涉法的有損檢測技術。

3.1.1 無損檢測

射線法包括X射線衍射法和中子衍射法，其中X射線衍射法是無損檢測技術中應用最廣泛和最成熟的方法，已經商業(yè)化。測試原理基于晶體的X射線衍射原理，如圖3所示，測量工件表面層晶格間距變化產生的應變，通過衍射角和應變之間的布拉格方程關系計算殘余應力。該檢測方法可直接檢測工件表層，同時結合剝層法能夠測量深度方向的應力分布，三大類應力同時檢測，精度高。但X射線對金屬穿透深度較弱，設備昂貴，測量受衍射峰和工件表面狀態(tài)的影響，且存在衍射強度“突變”的缺點。中子衍射法原理與X射線衍射原理基本相同，極強穿透能力的中子使該方法具有測量較大體積材料內部殘余應力的獨特優(yōu)勢。缺點是檢測時間長，受中子源限制，測量樣品體積大導致空間分辨率較差，在一定程度上限制了該方法的商業(yè)化應用。

圖3 X射線衍射法殘余應力測試原理圖[26]

磁測法利用鐵磁材料的磁致伸縮效應測定應力，包括磁記憶檢測法、磁聲發(fā)射法、磁應變技術和磁噪聲技術等[27]。它的最大優(yōu)點是檢測速度快、非接觸且適合現(xiàn)場檢測，但存在檢測精度差、局限于鐵磁材料、無法定量標準化和磁污染等不足。提高磁傳感器的靈敏度，建立內應力與磁場變化的定量化關系和改良背景磁場是改進該方法的關鍵[28]。

超聲法利用超聲波沿應力傳播的臨界折射波速與應力之間的特定關系檢測殘余應力，通過超聲波在工件材料內的傳播速度可以構建應力梯度分布。與其他檢測方法相比，具有以下特點：穿透能力強，無損檢測表層和內部應力分布且能夠實現(xiàn)定向檢測；檢測效率高，攜帶方便，能夠一機多用；但測量時要做標定試驗，容易受時間、材料組織和環(huán)境溫度的影響。

拉曼光譜可以精確測定材料的晶格振動能量，根據(jù)拉曼頻率與應力的關系精確計算出晶體內部的應力[29]。該方法在微尺度測量方面具有無損、無接觸、空間分辨率高和光譜范圍大的優(yōu)勢，與其他微分測試儀器聯(lián)用，著眼于微區(qū)的原位檢測，可以獲取更多信息且可信度高。缺點是檢測靈敏低，易受樣品產生的熒光干擾。

曲率法檢測薄膜和涂層的殘余應力是學術界和工程應用中被認可的方法之一?；阱兡で昂蠡w的曲率變化檢測薄膜應力，利用幾何學和力學原理推導出基體曲率變化與薄膜應力的關系。涂層的檢測基于涂層與基體之間力和力矩的平衡原理，測量涂層材料的整體曲率，從而計算出涂層的殘余應力。但曲率法會受到基體厚度和處理方法的限制[30]。

3.1.2 有損檢測

機械式檢測殘余應力是基于電阻應變技術，切割、套孔或鉆小孔等方法將工件材料的殘余應力部分釋放或完全釋放，電阻應變計測得應變，換算后獲得殘余應力值，應變片鉆孔法檢測示意圖如圖4所示。鉆孔法是目前應用最廣泛的應力檢測方法，包括直接通過Kirsch理論直接計算獲得的通孔法，以及需要標定試驗的盲孔法。鉆孔法具有精度高、設備便宜和工件損傷小等優(yōu)點，但測量精度會受到孔徑、孔深和應變片尺寸等多方面因素的影響，因此測量時應保證測量方法和技術操作的準確性[31]。環(huán)芯法屬于部分破壞的一種，與鉆孔法采用相同公式計算應力值，但應變釋放量比鉆孔法更大，意味著準確性和可靠性高于鉆孔法，但對設備和應變量表的要求，限制了環(huán)芯法的應用。剝層法屬于有損檢測中的全破壞類型，是測量工件內部殘余應力最實用的方法之一，通過機械切削或電化學腐蝕的方法逐層剝去材料，釋放的殘余應力產生釋放應變，測量應變值后，用黏彈性模量計算剝除后的應力值，從而得到工件材料內部殘余應力梯度值。近幾年該方法在應力校正和優(yōu)化相關處理參數(shù)方面取得了很大進展，常與XRD檢測相結合，獲得工件內部殘余應力。檢測結果的準確性要綜合考量去除材料的均勻性和可控性，避免壓力的引入和減少，同時低電解效率增加了檢測時間，不適合檢測殘余應力變化劇烈的焊接工件。

圖4 應變片鉆孔方法檢測示意圖[31]

云紋干涉檢測是一種具有發(fā)展和應用前景的新檢測技術，在應變分析、斷裂力學和殘余應力檢測中得到成功應用，具有靈敏度高、條紋質量好、量程大、可實時觀測和全場分析等優(yōu)點[32]。應力檢測原理有2種：幾何云紋法的空間虛柵理論和光的波前干涉理論。云紋干涉檢測是通過等位移條紋和廣義胡克定律計算得出殘余應力，結合全息照相與傳統(tǒng)云紋方法的一種應力檢測手段，如圖5所示，常與鉆孔、切槽結合使用，檢測材料內部殘余應力分布。

圖5 云紋干涉檢測系統(tǒng)[33]

3.2 殘余應力的有限元計算方法

隨著對工件殘余應力產生機理理解的日臻完善和計算機技術的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術逐步應用到殘余應力的計算中，為工件加工前應力分布預測和工藝參數(shù)優(yōu)化提供極大的便利，大幅度降低直接試驗驗證的成本浪費。

常規(guī)有限元計算中，位移法是平面和空間問題最廣泛且最有效的求解方法，以結點位移為基本未知值，求出單元的節(jié)點位移列陣{}e后，由幾何方程與物理方程求出單元的應力列陣{}=[][]{}e。位移的收斂速度比應力收斂速度高一階，求解的應力精度較低，會存在應力波動的問題，通常采用某種平均的辦法消除應力波動性，使計算精度得到提高[34]。在常規(guī)的殘余應力有限元分析基礎上，根據(jù)工件加工制造狀況及工況環(huán)境的不同，學者們對殘余應力有限元分析方法進行了一系列的改進，能夠有效預測復雜的力學行為。焊接殘余應力中相變是一個不可忽視的量，Zhao等[35]采用連續(xù)耦合的熱-機械模型，將冶金相變動力學引入數(shù)值計算中，同時采用多層焊接程序，對X80鋼管道環(huán)焊縫殘余應力進行有效預測。Macieje-wski等[36]以位錯連續(xù)體理論為基礎，利用初始塑性變形場，假設位錯密度張量場彈性不相容，提出一種預測位錯晶體殘余應力和晶格取向的有限元計算方法，為開發(fā)適合于確定應力場和晶格方向的有限元數(shù)值計算方法提供了可能性。

復變有限元法能夠對復雜材料模型和物理過程中產生的殘余應力進行有效預測，不需要增量/迭代過程中進行推導解決非線性問題，而是通過復變量代數(shù)，克服了傳統(tǒng)數(shù)值微分方法固有的截斷誤差[37]。Fielder等[38]對厚壁球模型進行自增強處理，并采用復變有限元法進行殘余應力預測，將應力結果與解析解和標準有限元結果進行了比較，結果表明：與解析解的數(shù)值導數(shù)和標準有限元解的有限差分相比，復變有限元的偏導結果具有很好的準確性。

4 工藝參數(shù)對殘余應力的影響

殘余拉應力會加速工件表面微小裂紋的萌生，隨著工件使用，裂紋會逐漸擴展，降低工件的疲勞壽命極限和整體表面完整性，而殘余壓應力對提高工件的疲勞壽命和硬度等性能有著顯著的效果。優(yōu)化工藝參數(shù)作為一種行之有效的手段，能夠在源頭上調控工件的殘余應力。

4.1 銑削加工

銑削加工后，在多種因素綜合影響下，工件殘余應力與表面距離之間的關系呈現(xiàn)“V型”變化特征，最上表層一般為殘余拉應力，沿工件加工表面延伸到內部由拉應力過渡成壓應力，隨深度增加，溫度影響降低而擠壓效應增大，壓應力先增大后減小[39]。研究切削速度、切削量和進給量等關鍵工藝參數(shù)對銑削工件殘余應力的影響，合理控制參數(shù)能夠減小殘余拉應力對工件疲勞強度造成的負面影響，延長工件的壽命極限。田身剛等[40]建立了鈦合金Ti6Al4V的銑削加工三維斜角切削有限元模型，發(fā)現(xiàn)切削速度增大，最上表層殘余拉應力也隨之增大，同時殘余應力層的厚度有增大的趨勢，隨切削深度的增大，殘余拉應力值和應力層深度變化不明顯。楊成云等[41]研究銑削工藝參數(shù)改變對Ti6Al4V 材料表面殘余應力的影響，銑削深度為定量，隨著切削速度的增大，工件表層溫度升高，殘余拉應力值增大；其他條件為定量，每齒進給量越大，殘余拉應力越大。此外，也有一些學者研究不同倒棱和鈍圓半徑刀具的硬態(tài)切削試驗，分析其對銑削加工表面殘余應力的影響規(guī)律[42-43]，為銑削加工調控殘余應力和優(yōu)化工藝參數(shù)提供了理論指導。

4.2 磨削加工

工件磨削后殘余應力分布為表面層形成一定程度的殘余壓應力，次表層為最大殘余壓應力，里層逐漸由壓應力向拉應力轉變。磨削過程中壓應力能夠有效提高表面質量，減小一定的粗糙度，同時磨削后淬硬層顯微硬度與殘余壓應力大小也存在一定相關性。張靜等[44]對42CrMo鋼進行平面磨削加工試驗，發(fā)現(xiàn)磨削速度和磨削深度增加，或進給速度減小時，磨削淬硬層表面殘余壓應力值減小，但最大殘余壓應力和應力深度卻增加。王棟等[45]證明了在高速磨削條件下，隨著砂輪線速度的增加，18CrNiMo7-6滲碳淬火齒輪鋼的殘余壓應力先增大后減小，磨削深度不大時磨削熱將對殘余應力的產生起著主要作用。Shen 等[46]在磨削馬氏體時效鋼試驗研究中得出：工藝參數(shù)對最大殘余壓應力和表面殘余壓應力的影響程度依次為磨削速度、進給速度和磨削深度，同時得出殘余應力場深與磨削參數(shù)存在較好的相關性，而最大殘余壓應力深度與磨削參數(shù)之間沒有明顯的關系。

磨削熱塑性變形產生殘余拉應力，對工件的使用壽命造成很大的影響[47]，研究磨削參數(shù)對磨削熱產生，并進一步調控工件表面殘余應力組成和深度有很大的研究價值。Moulik等[48]建立磨削熱源數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)磨削殘余應力受磨削用量和熱通量影響最大，熱源分布影響可忽略，磨削用量和熱通量增大，殘余應力增大。吳書安等[49]針對Ti6Al4V合金建立了熱-力耦合的單磨粒平面仿真模型發(fā)現(xiàn)：由于磨削溫度的熱軟化效應，會導致磨削產生的殘余拉應力值相對降低，單磨粒的圓錐角比刃圓半徑對工件表面殘余拉應力的影響更顯著。Pombo等[50]建立了接觸弧度-溫度場關系模型，同時推導出磨削接觸弧長計算公式，通過磨削弧長公式相關參數(shù)，可以推出某工藝參數(shù)下磨削產生的溫度場值?溫俊等[51]對磨削進行熱-彈塑性多物理場耦合計算，探索磨削區(qū)域溫度場分布及不同磨削參數(shù)對工件表層初始塑性應變的影響，得到了在磨削參數(shù)下形成的初始熱塑性應變和殘余拉應力的磨削溫度閾值，并探索了磨削溫度和殘余應力之間的關系，為預測磨削過程中殘余應力的分布狀態(tài)提供了研究基礎。磨削工件保持低磨削力和低磨削溫度，采用高磨削速度、小進給速度和中等磨削深度能夠獲得較高的殘余壓應力，降低殘余拉應力的產生，從而抑制疲勞裂紋，增加耐磨性。

4.3 其他加工方法

電火花加工是制造模具常用的加工手段，在加工過程中會產生殘余拉應力，導致模具表面產生微小裂紋，進而形成宏觀裂紋，制約模具的抗韌性和抗斷裂性。李小松等[52]研究了不同電火花加工條件下Cr12MoV鋼的表面殘余應力，發(fā)現(xiàn)殘余應力的分布形態(tài)與放電電流峰值、脈沖寬度和受脈沖間隔有關，當電極與不同種材料組合加工時，產生的殘余應力將不同，此外，殘余應力深度和加工液種類無關，但冷卻能力和物理性能越差的切削液，產生的殘余應力值越大。

焊接時的溫度分布以及熱塑性變形，受焊接結構、焊接工藝和材料屬性等因素綜合影響，從而使工件的焊接殘余應力分布各不相同[53]。一般在焊縫附近存在壓應力，但隨著距離焊縫越近會出現(xiàn)拉應力，沿厚度方向，根據(jù)不同工藝條件會產生不同的殘余應力。李琴等[54]對焊接后的Q345鋼平板焊縫結構進行仿真模擬發(fā)現(xiàn)：焊接速度增大以及焊接層間溫度降低均使橫向殘余拉壓應力降低，而沿著焊接板厚度方向的殘余應力存在先減小后增大的規(guī)律，同時焊接速度及層間溫度對橫向方向殘余應力的影響大于厚度方向，但沒有提供一個明確的方法來預測焊接殘余應力在整個厚度上的分布。張勝躍等[55]選取12Cr1MoV異質接頭作為試驗材料，分析焊接電壓和焊接電流對焊件殘余應力的影響發(fā)現(xiàn)：2個參數(shù)與焊接殘余應力存在線性正相關的聯(lián)系。鄧賢輝[56]發(fā)現(xiàn)在焊接過程中，隨外界環(huán)境溫度的增大，縱向殘余應力線性減小。此外，焊接熱源功率不同，最大焊接殘余應力位置也不同。Wang等[57]研究了焊接順序對H型Q345鋼焊接殘余應力分布的影響得出：焊接順序對縱向殘余應力分布影響較??；對于橫向殘余應力，焊接順序不會改變其分布特征，但影響拉應力區(qū)寬度和最大拉應力值。Feng等[58]研究了板寬對焊接接頭殘余應力的影響表明：板寬較大的焊接接頭焊縫區(qū)縱向殘余應力更高。板寬較小的焊接接頭具有較低的散熱量，而且焊縫金屬熱膨脹系數(shù)較低，導致在焊縫區(qū)產生較大的壓應力，隨著板寬的增加，會對焊縫區(qū)縱向殘余壓應力產生一定范圍的不利影響。多位學者的研究結果表明：焊接后焊件的材料性能以及殘余應力的分布，對焊接參數(shù)的控制有非常高的要求。

調控工件表面的殘余應力，是通過控制某一工藝參數(shù)來影響工件的應力分布、溫度場分布以及晶相的改變。提高工件使用壽命和所需的工件表面質量，優(yōu)化工藝參數(shù)后無法達到所需的標準時，進一步采用時效處理或表面強化處理工藝對工件的殘余應力進行轉化和調控。

5 時效法對殘余應力的調控

時效處理的目的是消除工件內應力、穩(wěn)定組織和尺寸、改善機械性能等，調控應力方法包括自然時效法、熱處理時效法和振動時效法。

利用環(huán)境溫度的變化和時間效應釋放殘余應力的過程稱為自然時效。該方法利用了原子學理論，即當溫度處于絕對零度之上時，金屬原子始終保持振動狀態(tài)，通過連續(xù)的溫度變化使工件承受反復的溫度壓力，使工件中的晶格發(fā)生滑動，從而達到消除殘余應力的效果[59]。升溫效率、放置時長和環(huán)境溫度等影響著自然時效的效果。自然時效消除的殘余應力不大，但提高了工件的松弛剛度，增加了工件的尺寸穩(wěn)定性，但存在耗時長、占用場地大以及不易調控等缺點，在高精度工件生產中逐漸被新型調控方法所取代。

熱處理時效法又稱去應力退火法，按照一定的升溫速度加熱工件到退火溫度，利用高溫下殘余應力超過材料本身的屈服應力以及蠕變引起的應力松弛來調控殘余應力。該方法是焊接件應力調控的主要方法之一，溫度控制和工藝措施影響焊縫熱處理的應力去除效果。因此工程應用中要做出相應的條件控制，確保足夠的加熱寬度和保溫寬度，防止產生次生殘余應力，避免表面和內部產生較大的溫度差，否則過剩的溫差產生熱應力導致裂紋的出現(xiàn)。可以適當延長退火及保溫時間，保證應力松弛均勻進行。去應力退火存在能耗高、成本高和不環(huán)保的缺點，且不適用于大型和加熱易受損工件[60]。

振動時效調控應力的機理沒有一個系統(tǒng)、科學的理論體系，在實際應用中表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，該方法調控應力的原理可以從宏觀和微觀角度解釋。宏觀上是機械振動產生的附加應力與工件內部存在的殘余應力的疊加超過材料的屈服極限，發(fā)生位錯運動，應力集中部位發(fā)生塑性變形，使殘余應力釋放并起到強化作用。微觀上是外加載荷產生的剪切動應力與工件內剪切殘余應力之和大于材料的剪切屈服強度，位錯增殖、塞積和纏結的產生，使得晶體產生微觀塑性，高的殘余應力得到釋放[61]。

6 表面強化技術對殘余應力的調控

針對不同材料的物理性能和使用場合選擇合適的表面強化處理技術，調控工件內的應力分布，可以大大提高工件的使用壽命和表面質量。闡述機械、能量輸入及相關復合技術的相關原理和應用等方面的研究進展。

6.1 機械作用下的強化處理技術

機械作用下的表面強化處理技術以外力場作用于工件表面，引入殘余壓應力來提高工件的表面質量。強化原理大致分為壓入式、研磨式和碾壓式三大類，機械強化調控應力操作簡單、成效高以及結構層內位錯密度高，對提高工件的疲勞強度有顯著效果。

孔擠壓強化主要用于強化帶孔工件，采用直徑大于孔直徑的擠壓芯棒，經充分潤滑后從孔中強行通過，使孔壁表層發(fā)生彈塑性變形，在工件孔內壁表層形成殘余壓應力，可以抵消工件承受的部分拉壓交變載荷，從而降低疲勞裂紋擴展速率，延長試樣的疲勞壽命[62]?？讛D壓強化殘余應力場的研究中，應用有限元法分析是常見的方法，王彥菊等[63]建立了孔擠壓Ti2AiNb合金的三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)孔擠壓在金屬板孔周圍產生較大殘余壓應力層，擠入端附近的壓應力小于擠出端。Houghton等[64]建立了剛性芯棒接觸擠壓的三維模型表明：板厚、芯棒接觸和芯棒運動方向對殘余應力有顯著影響，芯棒與工件表面接觸的摩擦僅影響入口時的應力。因此，建立孔擠壓的接觸模型時，獲取擠壓過程中的摩擦因數(shù)變化，才能獲取真實的孔擠壓殘余應力場。

超聲振動輔助磨削是集磨削與超聲加工于一體的高性能加工技術，超聲振動作用改變了刀具與工件的接觸狀態(tài)，降低了磨削從而抑制殘余拉應力的產生，振動產生的擠壓力在工件接觸區(qū)引入殘余壓應力，提高抗疲勞性和硬度等性能。栗育琴等[65]對CGr15軸承鋼進行超聲振動輔助磨削試驗，并與普通磨削進行比較，發(fā)現(xiàn)2種磨削試樣表面均形成了殘余壓應力，但超聲振動輔助磨削產生的殘余壓應力較大。原因是：普通磨削延性域較小，隨著磨削深度的增加將以脆性方式去除材料，而超聲振動輔助磨削拓寬了材料磨削的延性域，在較大磨削深度時仍以塑性方式去除，從而保持較大的表面壓應力[66]。

超聲滾壓表面強化工藝使工件表面光整和強化共同提高，滾壓頭滾壓引發(fā)材料表面的塑性流動，壓平工件表層的微觀波峰，達到“削峰填谷”的效果，降低工件表面粗糙度。超聲和靜壓力作用下工件表層發(fā)生彈塑性變形，表層組織中的晶格變形，晶界發(fā)生滑移和錯位，材料表層組織得到細化，表面顯微硬度和殘余壓應力得到提高。超聲滾壓殘余應力產生原理[67]如圖6所示。超聲滾壓可以提高工件的承載能力、耐磨性和抗疲勞強度等性能，同時超聲滾壓具有無切屑、無污染、成本低、效率高及兼容性好等優(yōu)點[68]。Teimouri[69]提出了超聲滾壓模型同粒子群優(yōu)化算法相結合的方法，建立了在特定的應力深度下預測最大殘余壓應力值的模型，殘余壓應力大小和深度預測誤差均小于15%，提高了殘余應力預測精度。jiao等[70]基于彈塑性理論建立了超聲滾壓表面殘余應力理論模型，研究了工件表面殘余應力的特性。目前為止關于殘余應力的研究都是基于對平面或單曲面的超聲滾壓，對復雜曲面的超聲滾壓研究未曾見過。

噴丸強化是工件表面受到大量循環(huán)的高速彈丸沖擊，使工件表面發(fā)生循環(huán)塑性變形，表層晶粒得到細化，位錯密度增大，晶格畸變增大，引入壓應力，形成應變強化層和殘余壓應力層[71]，可顯著提高材料的抗疲勞性能、抗高溫氧化性能和抗應力腐蝕開裂性能。噴丸強化是一種應用較為普遍的低成本強化技術，材料表面引入的殘余壓應力增強材料抗疲勞性能的作用已經獲得認可，但噴丸使工件表面粗糙度增大，導致磨損加劇，需要后續(xù)光整加工來保證表面質量。研究參數(shù)對應力場的影響規(guī)律及提高工件疲勞壽命的研究是噴丸強化應用的前提。董云慶[72]采用有限元法模擬噴丸速度、彈丸大小和彈丸的入射角度3個關鍵工藝參數(shù)對殘余應力場的影響時發(fā)現(xiàn)：當其他變量為定值，噴丸速度越大表面殘余應力層越深，當最大殘余壓應力和應力層達到飽和后，表面殘余壓應力開始不斷減小，同時彈丸大小也符合此規(guī)律。Soyama等[73]研究空化噴丸和普通噴丸引入的殘余壓應力對提高不銹鋼疲勞強度的影響，研究結果表明：空化噴丸和普通噴丸均提高了工件的疲勞壽命和疲勞強度，疲勞試驗過程中，引入的壓應力逐漸降低，但空化噴丸比普通噴丸引入的壓應力減小幅度低。

圖6 超聲滾壓殘余應力產生原理圖[67]

激光沖擊強化技術在金屬表層形成數(shù)吉帕（GPa）的高壓沖擊波，使材料表面產生超高應變率的塑性變形，并在表層產生位錯滑移和晶粒細化[74]，其本質是高強度的激光束誘導等離子體沖擊波作用于金屬材料表面的一種強化工藝[75]，工作原理如圖7所示。相比于冷擠壓、噴丸和滾壓，激光沖擊強化技術可以產生更深的殘余應力層，更加有利于抑制裂紋萌生和擴展，同時將有效減小表面的載荷作用，具有強化效果好、可操作性強、應用范圍廣和適用性好的優(yōu)勢。Tong等[76]分析了雙面激光沖擊薄板工件的殘余應力分布情況，發(fā)現(xiàn)被激光沖擊的區(qū)域全部分布著殘余壓應力，但激光沖擊區(qū)域邊緣伴隨分布著殘余拉應力。焦清洋等[77]對TA15鈦合金進行激光沖擊來研究殘余應力和力學性能的影響發(fā)現(xiàn)：在400 ℃下，引入的殘余壓應力才具有很高的熱穩(wěn)定性。激光沖擊引入殘余應力時，要綜合考慮到沖擊邊緣拉應力的存在，以及避免殘余壓應力在高溫下的應力松弛。

圖7 激光沖擊原理圖[75]

工件內部晶粒間的應力，對晶界處的原子擴散產生一定程度的影響，擠壓、噴丸、超聲滾壓和激光沖擊等外力場作用于工件表面，產生表面納米層，高密度晶界和位錯等增加了原子的擴散通道，而工件內部的應力梯度層為原子的擴散提供驅動力，往往體積較小的原子會向壓應力區(qū)擴散，而較大的原子會向拉應力區(qū)擴散[78]。Wang等[79]將表面納米化技術與離子滲氮工藝相結合應用到軸承鋼表面，結果表明：金屬材料表面納米化后，高體積分數(shù)的晶界為原子擴散提供了理想的通道，大幅度降低了滲氮和滲金屬元素的處理溫度及時間。Tong等[80]對表面納米化預處理后的38CrMoAl鋼進行低溫滲氮處理，發(fā)現(xiàn)表面納米化能明顯提高氮化速度，促進超細多晶化合物層的形成，有效提高表面氮化層的硬度和耐磨性。表面存在納米層結構的材料，通常穩(wěn)定性、反應性和功能性由原子沿晶界快速短路擴散決定，而殘余應力對納米層結構原子擴散具有重要影響。Druzhinin等[81]研究了W納米層中殘余應力對Cu沿W晶界擴散過程的影響，結果表明：無應力的W納米層中Cu沿W晶界擴散的活化能遠低于W納米層存在高壓應力的活化能，證明了晶界層的內應力對原子沿晶界擴散過程有顯著影響，但對內應力影響原子擴散的機制沒有明確的理論研究。

6.2 能量外部輸入下的表面強化處理技術

從微觀角度分析，工件內部晶粒之間的位錯和位錯面排列不均衡造成殘余應力。能量外部輸入消減殘余應力的機理是：當輸入晶粒之間的能量超過位錯運動所需的能量時，晶粒位錯部分沿著滑移面運動，進而塑性變形釋放一定的能量，達到消減殘余拉應力的目的。高能聲束調控應力是利用大功率聲學對材料的軟化效應，降低材料的屈服強度，消減材料的部分殘余拉應力，是一種新型的應力消除技術。任延飛[82]在高能聲束調控殘余應力的技術研究中，得出高能聲束調控殘余應力的原理是：晶體內部的原子動能增加，晶體體積發(fā)生變化，晶體獲得勢能。從位錯角度解釋：高能聲束作用于金屬表面，提供給材料晶體的外界能量要大于發(fā)生位錯的總位錯能，材料晶體內的位錯恢復，從而釋放掉材料內部的殘余應力。該技術在消除殘余應力過程中不影響材料的力學性能，能夠針對大型構件的局部殘余應力進行原位調控。

王思淇等[83]揭示了高能量密度脈沖電流的作用機理：脈沖電流產生的熱壓應力和電子風力共同作用下，引入的能量超過了材料內部晶粒之間位錯產生滑移運動的閾值，致使材料內部的位移密度減小，達到消減殘余拉應力的目的。Meisner等[84]發(fā)現(xiàn)高密度脈沖電流能夠細化TiNi合金表層微觀結構，使殘余拉應力釋放。王景鵬等[85]和鄭建毅等[86]多位學者采用衰減振蕩脈沖電流引入淬火件，分別對40Gr鋼淬火件和45鋼淬火件進行研究，發(fā)現(xiàn)電脈沖時效能夠有效降低40Gr鋼淬火件和45鋼淬火件內部的殘余拉應力。Stepanov等[87]發(fā)現(xiàn)脈沖電流可以降低Kh18N10T鋼帶磨削引起的殘余拉應力，印證了金屬材料在脈沖電流或電場作用下，能夠將電能輸入到材料內部的晶粒中，激發(fā)晶粒運動，提供位錯滑移的能量，消減材料內部的殘余應力[88]。高歡等[89]研究了一種基于低能量輸入的激光輻照消減構件表面殘余應力的方法，采用激光輻照材料的殘余應力集中區(qū)域，通過激光熱作用使得材料內部殘余彈性應變能轉化為塑性功，殘余拉應力得到釋放，驗證了激光應力調控技術的可行性。

能量輸入從微觀角度進行應力的消除，通過某項技術將能量直接作用于晶粒，增加晶體原子的動能和勢能，材料內部的粒子發(fā)生極化運動，打破原有粒子不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，從而釋放一部分殘余應力，消減的是對工件相關性能不利的拉應力。而機械強化屬于宏觀上的調控，外力場作用下，工件表面產生一定的彈塑性變形，晶粒發(fā)生細化，發(fā)生位錯、纏結等現(xiàn)象，工件表層引入殘余壓應力。能量輸入是以降低殘余拉應力為主要目的，而機械強化將壓應力引入，雖然強化機理不同，但從本質上都是改善應力分布，提高工件材料的力學性能。

6.3 復合表面強化處理技術

針對特殊工況下金屬構件，由于經常出現(xiàn)疲勞損壞需要進行表面強化處理，采用單一的表面強化處理工藝往往會存在或大或小的不足，無法滿足實際的工況需求。鋁合金材料采用激光沖擊強化時，會導致沖擊邊緣產生殘余拉應力，不能有效強化，而超聲擠壓強化時強化效果不足。張杰[90]針對2種單一表面強化處理的不足，提出了超聲擠壓輔助激光沖擊復合強化工藝，與單一強化工藝對比發(fā)現(xiàn)超聲擠壓輔助激光沖擊復合強化消除了激光沖擊造成的邊緣區(qū)域拉應力，試樣表面均表現(xiàn)為殘余壓應力，相比單一激光沖擊，應力值提升了近71%，作用層深度約為2.2 mm，達到了激光沖擊強化試樣的2倍。

魯金忠等[91]研究了激光沖擊-超聲滾壓復合工藝，此復合強化工藝突破了激光沖擊強化后塑性變形層的飽和狀態(tài)，引入滾壓力在沖擊后的材料表層擠壓，再次發(fā)生塑性變形獲得更大的殘余壓應力，經過復合工藝處理后，鎂合金表面引入的殘余壓應力最大值與單一激光沖擊強化試樣相比，提高了61.5%。該復合工藝的優(yōu)點是在提升材料強度的同時，有效改善了激光沖擊后材料的塑性，靠近表面的殘余壓應力更大，降低了微裂紋的擴展速率。

激光沖擊-噴丸復合工藝在工件表面進行雙重物理沖擊，從而引入更大的殘余壓應力。曹子文等[92]分析了2種表面強化處理技術的強化層特征：激光沖擊強化產生的表面殘余壓應力層比較深，但是冷硬化比較低；噴丸強化工藝的應力層淺，冷作硬化程度高。對TC17鈦合金進行激光沖擊-噴丸后，發(fā)現(xiàn)復合工藝彌補了單一強化的不足，也降低了激光沖擊造成的區(qū)域邊緣殘余拉應力。

為解決某直升機主撐桿頻繁疲勞斷裂的問題，鄭雷等[93]提出了采用激光強化與超硬磨料數(shù)控磨拋復合加工的新工藝。該復合強化工藝通過深層強化引入殘余壓應力，可以提高疲勞極限20%，結合數(shù)控磨拋提高了構件的加工質量和疲勞性能。日本學者熊谷正夫等[94]通過采用粒子注入和硬質覆膜結合的加工技術，在微粒子沖擊下硬質覆膜緊密貼合工件表面，微粒子噴射處理能夠實現(xiàn)對工件表面形狀成形，可大幅度提高硬質覆膜的密合性。降低了工件從磨耗向疲勞斷裂的轉變概率，使其耐磨性和疲勞強度得到同時提高。

超聲滾壓可以強化材料表層，提高材料的性能，但誘導的硬化層會形成硬殼，限制更深層材料的進一步強化，鈦合金Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe的超聲滾壓強化了其表面層性能，但材料性能沒有得到較大程度的改善，Qu等[95]復合電子脈沖技術，工件接入高頻脈沖電流后進行超聲滾壓，電脈沖的引入增加了塑性變形層的厚度，壓應力層深增加，晶粒尺寸更加細小，納米晶表面層形成更加曲折的晶界阻止裂紋的擴展，抗疲勞性能也得到改善。

7 總結和展望

綜上所述，熟悉不同工藝下殘余應力的產生機制及殘余應力對材料的影響，有助于避免因殘余應力造成的疲勞機械損傷。根據(jù)工件的材料特性和工況環(huán)境選擇合適的檢測手段。優(yōu)化機械加工的工藝參數(shù)是從源頭調控應力的方法，是一種極具節(jié)約成本且有效的方法。時效處理和表面強化技術調控殘余應力，以獲取最優(yōu)的金屬表面完整性，進而提高工件的疲勞壽命是目前研究的重要熱點之一。有限元軟件的應用為殘余應力機理分析、應力預測、應力分布和應力調控等方面提供仿真分析，節(jié)約了頻繁試驗造成的資源浪費。各種新型表面應力調控技術對殘余應力影響的研究，催生多種復合表面強化處理技術以改善單一強化處理技術的缺陷，但調控殘余應力仍存在許多亟待解決的問題。

1）對工件進行車、銑和磨等大量去除金屬材料的加工手段，是工件成形的主流，優(yōu)化傳統(tǒng)加工工藝參數(shù)來降低殘余應力對工件的影響，提高工件的抗疲勞強度和耐腐蝕性，具有重要的應用價值，但要綜合考量對工件的性能要求和加工效率，獲得高質量、高效率的工藝參數(shù)。

2）工件表面產生劇烈沖擊引入殘余壓應力，提高工件的表面性能是應用最廣泛的強化處理技術，大部分研究優(yōu)化工藝參數(shù)提高工件表面完整性，僅控制單一影響因素來研究對工件的影響，且表面強化處理技術大量局限于強化處理平面或單曲面工件。因此，研究2種及以上工藝參數(shù)共同影響下的殘余應力的情況是一個重要的研究方向，同時表面強化處理技術向處理復雜曲面是未來的發(fā)展方向。

3）單一的強化工藝難以同時使表面粗糙度、表面硬度和殘余應力等達到工件所需的最佳狀態(tài)，也難以同時兼顧工件形位精度的要求。因此復合表面強化工藝是未來表面完整性加工的發(fā)展方向，也是應力調控技術的重要發(fā)展趨勢。

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Research Progress of Influencing Factors and Control Technologies on Surface Residual Stress

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. School of Mechanical & Automotive Engineering, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan 250300, China; 2. Shandong Institute of Mechanical Design and Research, Jinan 250300, China)

The residual stress influences the fatigue life and corrosion resistance of the workpiece to a certain extent, which is often ignored because of its poor intuition and difficult to detect. It has high research value in engineering application to regulate the distribution of residual stress in the workpiece. Reasonable regulation of stress can effectively resist the crack initiation on the workpiece surface and improve the overall integrity of the workpiece surface.

The concept and classification of residual stress are described in detail. The residual stresses are classified from macroscopic and microscopic perspectives and their basic causes are described. The generation mechanism of residual stress in traditional machining process is summarized from the perspectives of milling, grinding and welding respectively.The influence of residual tensile stress and compressive stress on the material properties of the workpiece is mainly introduced through the position of residual tensile stress in the process of machining.Only by knowing the influence of residual stress on workpiece performance can the negative influence of residual tensile stress be reduced or residual compressive stress be rationally utilized.The principles of nondestructive testing (X-ray, magnetic, ultrasonic, curvature, Raman spectroscopy) and damage testing (mechanical, moire interference) are summarized, and the advantages and disadvantages of the testing methods are summarized. Based on the applicability of the detection method, the accurate stress value can be obtained by selecting the appropriate method.With the development of computer technology, a lot of research on the finite element model of residual stress has been carried out at home and abroad, which can save the cost and provide reference for the experiment. However, there is a lack of comprehensive consideration of various influencing factors.The influence of process parameters on the surface residual stress of workpiece under various processing methods was emphatically reviewed. Because regulating residual stress via optimizing process parameters cannot meet the overall performance requirements of the workpiece. The mechanism and application occasions of regulating residual stress by natural aging method, heat treatment aging method and vibration aging method are summarized. The surface strengthening technology which can control stress are reviewed, include under mechanical action ultrasonic vibration grinding, shot peening, ultrasonic rolling, laser shock; Under external energy input high-energy sound beam control technology, high-energy density pulse current and laser irradiation stress control technology. Energy input is used to eliminate tensile stress from the microscopic point of view. Through a certain technology, energy is input to the grain to increase the kinetic energy and potential energy of crystal atoms and break the unstable high-energy state of the original particles, thus releasing part of the residual stress. Mechanical strengthening belongs to macro control. Under the action of external force field, the workpiece surface produces certain elastic-plastic deformation, and the residual compressive stress is introduced into the surface of the workpiece. In addition, in view of the deficiency of single surface strengthening technology in residual stress control, the composite surface strengthening technologies such as ultrasonic extrusion-laser stamping, laser shock-ultrasonic rolling and laser shock -shot peening are summarized.

Although attention has been paid to the important role of residual stress in machine parts manufacturing, engineers and technicians do not have a deep understanding of it.In the future, combined with process parameter optimization and stress control technology, the workpiece performance can be greatly improved.At the same time, the surface strengthening technology will develop towards the processing of complex surface and composite surface strengthening technology.

residual stress; stress testing; fatigue life; parameter optimization; surface strengthening treatment

TG668

A

1001-3660(2022)11-0138-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.012

2021–06–18；

2021–12–13

2021-06-18；

2021-12-13

國家自然科學基金（52075274、51475143）；山東省重點研發(fā)計劃（重大科技創(chuàng)新工程）（2020CXGC011003）

National Natural Science Foundation of China (52075274, 51475143); Key Research and Development Program of Shandong Province (Major Science and Technology Innovation Project) (2020CXGC011003)

程勇杰（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為摩擦與潤滑、表面技術。

CHENG Yong-jie (1998-), Male, Postgraduate, Research focus: friction and lubrication, surface technology.

王燕霜（1972—），女，博士，教授，主要研究方向為摩擦與潤滑、表面技術。

WANG Yan-shuang (1972-), Female, Doctor, Professor, Research focus: friction and lubrication, surface technology.

程勇杰, 王燕霜, 林江海, 等. 表面殘余應力影響因素和調控技術的研究進展[J]. 表面技術, 2022, 51(11): 138-152.

CHENG Yong-jie, WANG Yan-shuang, LIN Jiang-hai, et al. Research Progress of Influencing Factors and Control Technologies on Surface Residual Stress[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 138-152.

責任編輯：萬長清