《残余应力基础理论及应用》一书共分7章。第1章系统阐述了残余应力的产生机理，并说明了残余应力的影响；第2章详细介绍了磁测法、超声波法、X射线法和中子衍射法等残余应力无损检测技术；第3章介绍了小孔法、深孔法、切槽法和云纹干涉法等残余应力有损检测技术；第4章通过各种实例，说明了工程检测特点；第5章介绍了残余应力的调控与消除方法；第6章介绍了各向异性材料残余应力；第7章结合残余应力的具体工程应用实例，对预拉伸板、喷丸成形、表面强化等残余应力加以分析，阐述了残余应力的重要作用，并分析了残余应力对裂纹萌生和扩展的影响。全书理论、实验与应用并重，宏观和微观相结合，既注重理论体系的完整性，又注重工程实际的应用性，其中介绍的典型零件涵盖了航空、汽车、核电、轨交、桥梁和化工等领域。本书是一部近年来有关残余应力研究的很好的总结，也是一部实用性较强的专业技术工具书。

本书可供从事材料、热处理、表面工程、交通、航空航天、机械专业的技术人员与科研人员参考阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。

《残余应力基础理论及应用》的著作特色和出版价值如下：

1. 研究系统、深入。经调研，该书系国内首部系统、全面、科学地研究残余应力基础理论及应用的学术专著。其他同类书有一些，但或者关于残余应力检测技术，或者关于计算，或关于应用，仅仅是残余应力研究的某个侧面。

2. 著述脉络清晰，内容详实。全书理论、实验与应用并重，宏观和微观相结合，其中介绍的典型零件涵盖航空、汽车、核电、轨交、桥梁和化工等领域，可供广大科研人员参考。

3. 涉及话题既基础、实用又前沿。材料是基础、设计是关键、制造是保障，有关工程材料的研究特别是材料中残余应力的研究，是中国制造的原动力。

4. 作者科研和著述水准交稿。作者同济大学航空航天与力学学院高玉魁教授，长期潜心于疲劳性能和残余应力的研究，一直从事航空航天关键零部件定寿与延寿方面的科研和教学工作；2014年出版专著《表面完整性理论及应用》，获批国家出版基金项目资助。

5. 著作写作目标清晰，作者愿望强烈。残余应力对于机器零件制造具有重要作用。作者撰写本书的主要目的就是加强大家对残余应力重要性的认识和对残余应力研究与应用的重视。本书的出版，对我国成为制造业强国必将起一定作用。

残余应力是影响材料和零部件变形、疲劳、应力腐蚀的重要因素。搞清楚残余应力的产生机理，准确表征其数值和分布情况，弄明白残余应力的作用机制和应用领域，并在此基础上对残余应力进行适宜的调控，这不仅是材料、力学、热处理、表面工程等多方面的学者进行研究所关注的重要科学问题，而且也是工程师、设计师在实际应用残余应力来计算寿命和制造维修时经常面临的关键技术问题。

中国制造已从原来以图纸形状导向为主的仿形加工成形制造控形制造，转向了以使役性能导向为主的控性制造。控性制造主要是控制表面完整性，而残余应力是表面完整性中重要的力学参数。

材料是基础、设计是关键、制造是保障，这是航空领域对设计、材料和制造的定位和认识。制造强国的核心是要有创新自主的知识和技术，尤其是核心的关键技术。这些技术都是国家的根本利益和属于机密性的文件，是买不来的，所以对于核心的技术我们只能自主研制和研发，如航空发动机核心零部件的制造技术和飞机关键零部件的长寿命表面完整性制造，再如高性能高集成度的芯片制造技术。制造技术不只是工艺的操作和工艺参数域的确定，还有制造机理和制造工艺与性能、功能相关性的认识和研究，我们往往侧重前者而对后者的重视不够，这导致了很多问题的出现，如制造中的变形与可靠性差、寿命短和性能没法达到预期的目标等。表面完整性中的残余应力是决定零部件使役性能的关键因素，因此加强和加深对残余应力的研究和认识，重视其重要作用并控制调整其状态和分布，是非常重要和有意义的。

本书从残余应力的定义入手，首先阐述了残余应力的产生机理，其次对测试表征方法和作用机制进行了分析，在此基础上重点介绍了残余应力的调控技术和工程应用等各个方面，尤其是给出了复合材料、单晶材料等新型各向异性材料和零部件的残余应力测试方法。通常人们总是认为残余应力是有害的，它会导致零部件变形和开裂。本书结合航空工业的案例，从调控残余应力角度阐述了残余应力也是很有利的，如采用喷丸在表层引入残余压应力来提高疲劳性能，再如铝合金的预拉伸板去除残余应力和采用喷丸成形来制造飞机机翼等，这些都是残余应力工程应用的实际典型代表案例。

本书对于从事残余应力相关工作的科研人员和设计师、工程师具有重要的参考价值，也可以作为高等院校相关专业本科生和研究生教材使用。为便于学生和工程师实际操作来测试残余应力，本书附录给出了X射线残余应力的测试步骤。为方便大家查阅术语和相关内容，还在本书最后给出了索引。

20余年我之所以能够专心于残余应力的钻研和探索，得助于恩师燕山大学教授姚枚先生一直以来给予的鼓励和关爱，得助于家庭的理解和大力支持。感谢姚枚教授能够带领我进入残余应力领域和欣然提笔为本书作序；感谢国家自然科学基金项目(1132226)、国家973计划(2010CB833105)、国防973项目(6138503)、大飞机项目和航空科学基金项目等给予的资助；感谢我的研究生们特别是叶璋硕士和陶雪菲博士，他们对本书初稿进行了整理和修改。

本书出版的主要目的是加强大家对残余应力重要性的认识和对残余应力研究与应用的重视。因著者的水平和能力有限，书中难免存在一些错误和不当之处，谨请读者批评指正。

2019年3月4日于同济大学

高玉魁，男，同济大学航空航天与力学学院教授、博士生导师，主要从事航空航天先进材料表层改性及疲劳断裂研究。其学术兼职有：中国机械工程学会热处理分会理事，中国机械工程学会表面工程分会委员，中国标准委员会委员，中国有色金属学会第七届理化检验学术委员会委员，《中国表面工程》《材料热处理学报》《金属热处理》《表面技术》等期刊编委。主持多项国家重点科研项目工作，如激光冲击作用下金属材料残余应力场的响应规律和强化效应、TWIP钢轧制过程组织及残余应力演化规律研究、锆合金氧化前喷丸预处理和氧化后致密化处理试验等。曾获中国航空工业集团公司科技进步三等奖（排名第1，2011年）、河北省科技进步三等奖（排名第2，2012年）、热处理学会周志宏青年科技成就奖（2015年）等。

符号表Ⅰ

第1章绪论1

1.1内应力分类1

1.1.1宏观内应力1

1.1.2微观内应力2

1.2工程中常见的残余应力3

1.2.1焊接残余应力3

1.2.2铸造残余应力5

1.2.3切削残余应力7

1.2.4磨削残余应力8

1.2.5热处理残余应力9

1.2.6薄膜残余应力10

1.2.7涂层残余应力12

1.3残余应力的影响15

1.3.1残余应力对变形的影响15

1.3.2残余应力对尺寸稳定性的影响18

1.3.3残余应力对加工精度的影响19

1.3.4残余应力对疲劳性能的影响19

1.3.5残余应力对脆性断裂的影响43

1.3.6残余应力对应力腐蚀开裂的影响45

1.3.7残余应力对硬度的影响46

1.4残余应力检测技术概况48

参考文献48

第2章残余应力无损检测技术51

2.1纳米压痕技术51

2.1.1纳米压痕技术的理论方法51

2.1.2纳米压痕技术检测原理54

2.2拉曼光谱技术62

2.2.1拉曼光谱技术的产生62

2.2.2拉曼光谱的特点63

2.2.3拉曼光谱技术种类63

2.2.4拉曼光谱技术检测原理65

2.3磁测技术65

2.3.1磁记忆检测技术65

2.3.2磁噪声技术68

2.3.3磁应变技术69

2.3.4磁声发射技术71

2.4超声波技术74

2.4.1超声波技术检测残余应力的特点74

2.4.2超声波技术检测残余应力的发展现状74

2.4.3超声波技术检测原理76

2.4.4超声波应力检测系统78

2.5扫描电子声显微镜79

2.5.1扫描电子声显微镜检测原理79

2.5.2扫描电子声系统80

2.6X射线衍射技术81

2.6.1布拉格定律81

2.6.2X射线衍射检测原理81

2.6.3X射线衍射技术检测残余应力的特点84

2.7中子衍射技术85

2.7.1中子衍射技术残余应力分析发展现状85

2.7.2中子衍射技术检测原理85

2.7.3中子衍射技术检测残余应力的特点86

2.8曲率法检测技术87

2.8.1曲率法检测薄膜应力87

2.8.2曲率法检测涂层残余应力88

参考文献89

第3章残余应力有损检测技术96

3.1机械法96

3.1.1小孔释放技术96

3.1.2深孔技术100

3.1.3环芯技术102

3.1.4剥层技术104

3.1.5切槽法107

3.2云纹干涉技术109

3.2.1云纹干涉的光栅技术110

3.2.2云纹干涉技术的检测原理111

3.2.3云纹干涉技术的实验方法113

3.2.4云纹干涉法的发展116

参考文献118

第4章残余应力检测技术的应用120

4.1无损检测技术的应用120

4.1.1纳米压痕技术的应用120

4.1.2拉曼光谱技术的应用125

4.1.3磁测技术的应用128

4.1.4超声技术的应用131

4.1.5X射线衍射技术的应用135

4.1.6中子衍射技术的应用139

4.2有损检测技术的应用142

4.2.1盲孔检测技术的应用142

4.2.2环芯检测技术的应用146

4.2.3云纹干涉技术的应用149

参考文献152

第5章残余应力的调控与消除156

5.1时效法156

5.1.1自然时效156

5.1.2热处理时效158

5.1.3振动时效160

5.2机械法164

5.2.1锤击164

5.2.2过载处理166

5.3爆炸法168

5.3.1爆炸法的原理168

5.3.2爆炸法的工艺设计169

5.3.3爆炸法的特点及优势171

5.3.4爆炸法对材料性能的影响172

5.3.5爆炸法应用实例173

5.4超声冲击技术175

5.4.1超声冲击技术的原理176

5.4.2超声冲击的设备及效果177

5.4.3超声冲击技术的工艺178

5.4.4超声冲击技术的优点179

5.4.5超声波消除焊接残余应力的效果179

5.5喷丸强化法180

5.5.1喷丸原理180

5.5.2锆合金喷丸实例182

5.6激光冲击法185

5.6.1激光冲击原理185

5.6.2GH742激光冲击实例186

5.7孔挤压强化法190

5.7.1孔挤压原理190

5.7.2300M超高强度钢孔挤压实例190

参考文献194

第6章各向异性材料残余应力197

6.1正交各向异性材料197

6.1.1M12C复合材料性能198

6.1.2M12C复合材料残余应力检测实验199

6.2带织构材料205

6.2.1AA2397铝锂合金性能205

6.2.2AA2397铝锂合金残余应力检测实验205

6.3单晶材料213

6.3.1理论分析与实验方法213

6.3.2实验结果与讨论215

参考文献217

第7章残余应力在工程中的应用219

7.1航空领域219

7.1.1航空发动机钛合金叶片219

7.1.2主起落架上转轴224

7.1.3GH4169涡轮盘229

7.1.4铝合金喷丸成形239

7.1.56061铝合金预拉伸板244

7.2汽车领域247

7.2.1汽车驱动桥壳247

7.2.2汽车发动机气门弹簧250

7.3核电领域253

7.3.1反应堆压力容器顶盖J型接头253

7.3.2大型核电厚壁结构256

7.4轨道交通领域259

7.4.1高速列车车体铝合金259

7.4.2轨道交通车辆铝合金地板262

7.5桥梁领域265

7.5.1观音岩大桥构件焊缝应力测试265

7.5.2超声波冲击消除钢结构桥梁焊接残余应力268

7.6化工领域273

7.6.1P110级石油套管淬火残余应力273

7.6.2管道热开孔残余应力276

参考文献280

附录X射线衍射残余应力测试步骤283

索引324