残余应力失效分析：揭秘潜伏在制造工艺中的“隐形杀手”

一个设计完美的齿轮，为何在远低于设计寿命时突然崩齿？一根坚固的焊管，为什么在静态负载下悄然开裂？在许多突发性、灾难性的零件失效事故背后，都隐藏着一个共同的“隐形杀手”——残余应力。它源于制造过程，潜伏于材料内部，无声无息地影响着产品的性能与寿命。专业的失效分析工作，很大程度上就是一场追溯并量化这些“内伤”的侦探游戏。本文将从失效分析的视角，系统剖析残余应力的来源，并揭示其如何成为产品可靠性的致命弱点。

什么是残余应力？一把决定零件寿命的双刃剑

当外部载荷全部移除后，仍然存在于物体内部并自我平衡的应力，就是残余应力。它的产生，本质上是材料内部不同区域之间不均匀的体积变化相互制约的结果。

理解残余应力的关键在于其“双刃剑”效应：

• 残余压应力（有益）： 如同一道坚固的“预应力屏障”，它能有效抵消外部拉伸载荷，抑制裂纹的萌生与扩展，显著提升零件的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。
• 残余拉应力（有害）： 像一个预先存在的“内部拉力”，它会与外部工作应力叠加，极大地加速疲劳裂纹的扩展，诱发应力腐蚀开裂（SCC）和脆性断裂，是导致零件早期失效的主要元凶。

几乎所有的制造工艺都会在工件中留下独特的残余应力“指纹”。

热处理与焊接中的失效分析：冰与火之歌

热处理与焊接是工业制造中最常见的工艺，也是残余应力最主要的来源。其核心在于剧烈的、不均匀的加热与冷却过程。

热应力 vs. 组织应力：一场不可避免的内部博弈

热处理（尤其是淬火）过程中的残余应力，是热应力与组织应力（相变应力）竞争与叠加的结果。

• **热应力：**源于冷却速度差异。冷却时，零件表面先冷却收缩，而心部仍处于高温，表面受到心部的拉扯而产生拉应力。随后心部冷却收缩，对已经变硬的表层施加压应力。其特点是“先拉后压”。
• **组织应力：**源于相变时的体积变化。以钢的淬火为例，奥氏体转变为马氏体时，比体积会显著增大。如果表面先发生马氏体相变而膨胀，会受到心部未相变奥氏体的约束而产生压应力。随后心部相变膨胀，则会对已硬化的表层施加巨大的拉应力。其特点是“先压后拉”。

图1 热应力在冷却不同阶段的分布

图2 组织应力在相变不同阶段的分布

最终的残余应力状态取决于这场博弈的胜负，而这又与材料的淬透性、零件尺寸和冷却介质密切相关：

• 高淬透性材料（整体淬透）： 心部后发生的马氏体相变占据主导，其巨大的膨胀力导致表面最终呈现有害的残余拉应力。这是许多大型高强度锻件（如轧辊）失效分析中需要重点关注的因素。
• 低淬透性材料或表面淬火（如高频、火焰淬火）： 仅表层发生马氏体相变，其体积膨胀效应主导，使表面获得有益的残余压应力，从而大幅提升疲劳抗性。

图3 热处理淬火后常见的残余应力类型

图4 整体淬透的锻钢轧辊表面呈现残余拉应力

图5 火焰表面淬火在表层形成残余压应力

焊接接头：为何是残余拉应力的“重灾区”？

焊接过程堪称一场极端的局部热处理。焊缝及其附近区域（热影响区）的金属经历快速熔化和凝固，受到周围冷金属基体的强烈约束，导致极高的残余拉应力，其峰值甚至可接近材料的屈服强度。这种高拉应力是焊接结构脆性断裂、疲劳失效和应力腐蚀开裂的罪魁祸首。

图6 典型焊接接头的残余应力分布，焊缝中心存在巨大的拉应力

表面改性工艺的“副作用”：从渗碳到涂镀层的应力解读

为了提升零件的表面性能，我们常常采用表面改性技术。然而，这些工艺在赋予材料新性能的同时，也必然会引入残余应力。

“铠甲”的代价：渗碳、渗氮与激光强化的应力分布

• 化学热处理（渗碳、渗氮）： 通过向表层渗入碳、氮等元素，不仅提高了硬度，更重要的是，这些“挤”进去的原子使表层晶格膨胀，从而引入了数值很高的残余压应力。这层“应力铠甲”是齿轮、轴承等耐磨耐疲劳零件的核心技术之一。
• 激光相变强化： 利用高能激光束快速加热零件表面使其奥氏体化，随即依靠基体自冷实现淬火。在适当的工艺参数下，可获得类似表面淬火的残余压应力。但若功率过高导致表面熔化，则会因凝固收缩而转变为有害的残余拉应力。

图7 渗碳淬火后表面形成有利的残余压应力

图8 渗氮处理后的残余压应力分布

“外衣”的隐患：电镀与热喷涂层的应力挑战

电镀层、热喷涂层等涂镀层与基体之间也存在残余应力，这主要源于沉积过程中的内在机制以及两者热膨胀系数的差异。

• 电镀层： 其应力状态与电镀液成分、工艺参数密切相关。例如，装饰性镀铬层常带有很高的残余拉应力，易导致镀层开裂、剥落，并降低基体的疲劳强度。而通过在镀镍液中添加特定添加剂（如糖精），则可以获得低应力甚至压应力层。
• 热喷涂层： 高温熔融的颗粒撞击并冷却在基体表面，复杂的物理过程使其应力状态难以预测。通常，颗粒飞行速度越高，越倾向于形成残余压应力；而喷涂温度越高，则越倾向于形成残余拉应力。涂层越厚，应力累积也越大，可能导致涂层开裂或与基体脱离。

图9 激光功率对强化层残余应力性质的影响

图10 不同喷涂工艺对涂层残余应力的影响

塑性成型与加工的“记忆”：铸造与切削引入的应力

从模具到铸件：铸造残余应力的形成路径

铸件的残余应力主要源于冷却不均和铸型约束。壁厚不均的铸件，薄壁部分先冷却收缩，而厚壁部分后冷却，两者相互牵制形成应力。同时，铸型和型芯会阻碍铸件的自由收缩，同样会在相应部位产生拉应力，严重时可直接导致铸件热裂。

图11 单一截面铸件因内外温差产生的残余应力

图12 不同截面铸件因冷却速度差异产生的残余应力

刀具下的微观世界：切削与磨削加工的应力烙印

切削、磨削等机械加工过程，会在零件表层产生强烈的塑性变形和瞬时高温，从而留下残余应力。

• 切削/铣削： 一般在表层引入压应力，但其下方的次表层可能存在拉应力。
• 磨削： 尤其需要警惕。不当的磨削工艺（如砂轮过硬、进给量过大）会产生巨大的局部热量，导致表层产生很高的残余拉应力，形成所谓的“磨削烧伤”，这会严重削弱零件的疲劳强度，是磨削工件失效的常见原因。

图13 不当磨削工艺在表面引入的有害残余拉应力

图14 铣削加工表面的残余应力分布

诊断与解决：将残余应力分析融入产品全生命周期

残余应力是连接“制造工艺”与“服役性能”的关键桥梁。在产品失效后，仅仅分析材料成分或观察宏观断口是远远不够的。必须深入探究其内部的应力状态，才能找到问题的根本原因。当我们通过X射线衍射（XRD）等无损检测手段，精确测量出失效部位的残余应力大小和分布，并将其与制造工艺记录进行关联分析，失效的根本原因链条才能真正闭环。

这种基于应力测量的诊断思维，正是专业失效分析服务的核心价值所在——它提供的不是一份简单的测试数据，而是一个能够指导工艺优化、预防同类问题再发、并最终提升产品可靠性的根本性答案。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），专注提供一站式失效分析。央企背景，专家团队，助您快速定位产品失效的根本原因。欢迎垂询，电话19939716636