1.1 残余应力及其分类

残余应力是当没有外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。没有通过物体表面向物体内部传递应力时，物体内部保持平衡的应力系统，称为固有应力（inherent stress）或初始应力（initial stress）。热应力（thermal stress）和残余应力（residual stress）是固有应力的一种。固有应力也称为内应力（internal stress）。

残余应力的存在状态随材料性能、产生条件等的不同而不同，分类方法也不一致。按作用范围，残余应力可分为宏观残余应力与微观残余应力。

1.1.1 宏观残余应力

宏观残余应力又称为第一类残余应力，它是在宏观区域分布，跨越多个晶粒的平均应力。它的大小、方向和性质等可用常规的物理或机械方法进行测量。按残余应力产生的原因宏观残余应力可分为以下三种。

1.不均匀塑性变形产生的残余应力

材料通常由于加工的原因而引起不均匀的塑性变形，即材料不同部分的塑性变形量不相同，这样必然会在不同部分之间出现相对的压缩或拉伸变形，从而产生残余应力。滚压、拉拔、挤压、切削、喷丸等加工工艺都会引起不均匀的塑性变形。

2.热影响产生的残余应力

热影响产生的残余应力是复杂的。在加热或冷却的过程中，材料内部会存在温度梯度，由于这种不均匀加热或冷却造成不均匀的热胀冷缩，从而产生热应力。而当组织转变引起材料内部产生不均匀的体积变化时，则产生相变应力。由于热影响而产生塑性变形时，材料本身的屈服强度及弹性模量等力学特征值也要受到影响，从而也会影响应力变化。

3.化学作用产生的残余应力

这种残余应力是由于表面向内部传递的化学变化或物理变化而产生的。比如瓷器，它是在表面涂上釉子原料，然后加热形成釉子，由于釉子有较大的膨胀系数，冷却后在釉子上产生拉应力而发生龟裂。裂纹是有规律的，每条裂纹大都和另一裂纹互相连接起来，这种龟裂能使沿其垂直方向的拉应力消失。而泥土龟裂所形成的裂纹交角恰好为120°的星形裂纹。

钢材在进行渗氮时，表面会产生比体积较大的化合物层，表面便产生了很大的残余压应力。渗碳时也会发生类似情况。这主要是因为化学变化导致密度变化所造成的。

1.1.2 微观残余应力

微观残余应力属于显微视野范围内的应力，根据其作用的范围，又可分为两类，即第二类、第三类残余应力。第二类残余应力作用于晶粒或亚晶粒之间（约在0.01～1mm范围内），是在此范围内的平均应力。第三类残余应力作用于晶粒内部（约在10^-6～10^-2mm范围内）。残余应力的分类见表1-1。

表1-1 残余应力的分类^[1]

按照残余应力产生的原因，微观残余应力可分为以下几种。

1.由于晶粒的各向异性而产生的微观残余应力

这种残余应力包括晶体的热膨胀系数、弹性模量等的各向异性及晶粒间的方位不同而产生的微观残余应力。以晶体弹性模量的各向异性为例，铅的单晶体的弹性模量随晶体方位不同有1～3倍的变化，锌的单晶体有1～4倍的变化。绝大多数金属的弹性模量都具有各向异性，其弹性模量一般以晶体的<111>方向为最大，<100>方向为最小。在多晶体中，由于各晶粒的方向不同，即使所施加的外力是均匀的，各晶粒的变形也可能不同，此时若有塑性变形发生，各晶粒的塑性变形也会不均匀，因此必然引起残余应力。

2.由于晶粒内外的塑性变形而产生的残余应力

这种残余应力包括晶粒内的滑移、穿过晶粒间的滑移及双晶的形成等而产生的微观残余应力。例如，晶粒内有滑移变形，位错就会在晶界堆积，还可能穿过晶界在更广的范围内进行滑移，显示出折曲带等情况。由于位错穿过晶粒并不消失，因此这时也会在组织内不均匀地形成各种内部缺陷。这些就成为外力去除后产生微观残余应力的主要原因。

3.由于夹杂物、沉淀相或相变出现不同相而产生的微观残余应力

在金相组织内，当夹杂物、沉淀相或相变而出现不同相时，由于体积变化及热应力的作用，可能产生相当大的微观残余应力。