鋁合金殘余應力渦流檢測的發展現狀與展望

汪濤 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

鋁合金殘余應力渦流檢測的發展現狀與展望

汪濤 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

鋁合金殘余應力的檢測關系到鋁合金結構的健康安全，具有重要意義。傳統的殘余應力檢測法如盲孔法、X射線法、超聲波法、磁測法等在使用時都有一定的局限性。近年來，有學者根據金屬電導率與應力之間的變化關系提出用渦流檢測的方法來檢測殘余應力。本文介紹鋁合金殘余應力渦流檢測的研究現狀，并就這一研究的發展方向提出一些看法。

鋁合金 殘余應力 渦流檢測

鋁合金作為制造業發展的基礎材料，在航空航天、高速鐵路、建筑工程、船舶制造、汽車工業等支柱產業中有著重要地位。殘余應力往往是造成鋁合金結構破壞的重要因素。在應力集中區域更加容易出現裂紋以及應力腐蝕等早期損傷。因此，有效的評價應力狀況，特別是導致損傷出現的臨界應力狀況是評價設備結構強度、可靠性的重要依據［1］。傳統的無損檢測方法已廣泛應用于工業中，但傳統方法局限于對已成型的缺陷進行檢測。對于在役金屬設備的早期損傷，特別是尚未成型的隱形應力狀態難以進行有效的檢測。

目前應用較多的殘余應力檢測法主要有盲孔法、X射線法、超聲波法以及磁測法。盲孔法實際上是一種破壞性檢測法，很多情況下不為人們所接受。X射線法受材料晶粒度的影響較大，僅能測量表面宏觀或微觀殘余應力，檢測設備昂貴，僅適合于實驗室使用。超聲波法比X射線法的檢測深度深，但必須使用耦合劑，難以檢測形狀復雜的構件。磁測法是以巴克豪森效應為基礎的殘余應力檢測法，可用于快速檢測材料內部殘余應力，但僅局限于磁性材料。

材料的壓阻效應使得用渦流檢測的方法檢測殘余應力成為可能。基于這種應力與材料電導率之間的相關性提出的殘余應力渦流檢測方法已成為無損檢測領域的一個研究熱點。

1 電導率與應力之間的相關性

電導率與應力之間相關性的研究源于材料的壓阻應變效應。壓阻應變效應是指電阻絲在外力的作用下發生變形時，其電阻值發生變化的現象。單向應力作用下，各向同性金屬材料的電導率與加載彈性應力之間的關系可表示為：

式中 σ0表示無應力狀態下各向同性金屬材料的電導率； Δσx，Δσy，Δσz表示笛卡爾坐標系下 x、 y、 z方向的電導率改變量；τij表示電阻絲材料的壓阻系數，包括縱向壓阻因子τ11和橫向壓阻因子τ12； ωj（j =x，y，z）為拉應力，對于作用于z方向的單向拉伸， ωz≠0，ωx=ωy=0。由此即可得到電導率變化與彈性應力變化之間的關系［2］。

鋁合金在應力作用下呈電各向異性。單向拉伸的情況相對比較簡單，可以認為電導率的改變主要集中在拉伸方向以及與拉伸方向垂直的方向上。然而，實際檢測中，應力的分布狀況比較復雜，主應力方向不再明確，需要根據待測試件應力狀況重新推導電導率張量矩陣，以確定主應力大小及方向。

2 研究現狀

由于壓阻應變效應，鋁合金在應力的作用下呈電各向異性。因此，理論上可以由渦流檢測的方法進行應力大小及方向的檢測。而相比其他檢測技術，渦流檢測具有成本低、設備簡單、操作方便等優點，因此殘余應力渦流檢測的研究具有重要意義。

P.B.Nagy領導的團隊從2004年開始發表使用渦流檢測方法評估殘余應力的論文。2004年他們采用電磁渦流的方法對噴丸處理的鎳合金近表面殘余應力進行檢測。他們發現，渦流“視電導率”隨著檢測頻率增加而增加，因此能夠用來檢測亞表面殘余應力［4］。同年，他們采用解析法對噴丸金屬表面的殘余應力進行計算，以電導率譜為框架計算應力分布。結果表明，解析反演法可以定量的評估亞表面的殘余應力［5］。2005年他們使用拉伸應力的實驗驗證了材料的壓阻效應，并通過動態和靜態加載應力的方式對熱彈性效應引起的電導率變化進行修正，得出鋁合金及其他合金的電導率與應力變化的系數關系［6］。2006年，他們采用一種迭代反演的方法來計算近表面殘余應力分布，該方法具有很好的收斂性。他們還探討了近表面殘余應力分布引起亞表面電導率變化的三個特征：一是殘余壓應力分布在深度比普通探頭線圈直徑小得多的淺表面區域；二是殘余應力引起的電導率變化量非常小，不到1%；三是以電導率譜為框架反演得到的應力分布更加連續和平滑。該方法的精度比文獻［5］的精度更高［7］。2007年，他們報道了一個新的高頻渦流電導率測量系統，可以將檢測頻率提高到50MHz，這遠超商業上一般使用的10MHz的范圍。該系統的重復性、精確性、測量速度都比以前的更高［8］。2010年他們在實驗中發現，對一些熱門的鎳基高溫合金進行殘余應力檢測時出現問題，有些硬度較高的合金沒法通過電磁渦流法進行應力檢測，于是開展硬度和電導率關系的研究。結果表明，對于某些噴涂表面較硬的鎳基高溫合金，使用電磁渦流方法進行應力檢測不太合適［9］。

2001年W.J.Becker等人通過對普通接收線圈及GMR傳感器測量殘余應力進行對比，得出結果：GMR傳感器非常適合電磁渦流法測量殘余應力［10］。2012年H.soyama等提出用矩形線圈檢測應力各向異性和剪切應力。結果表明，應力各向異性、剪切應力以及噴丸處理的情況都可以通過矩形線圈進行檢測，主應力的方向也可以通過這種檢測方法確定［11］。

2010年英國Newcastle大學田貴云等采用脈沖渦流檢測方法，利用圓柱和矩形探頭對飛機結構常用鋁合金進行了應力檢測研究。由于鋁合金中存在一定的殘余應力，脈沖渦流信號的峰值與拉伸應力存在一定的非線性關系［12］。同年，他們采用方向性探頭對單向拉伸作用下不同拉伸方向及垂直方向上的鋁合金電導率變化進行研究。同時，還對前期塑性變形及熱處理對電導率的影響進行了評估，得出結論：相對于非硬質合金，硬質合金中電導率對冷作加工的依賴性更加明顯［13］。他們還研究了使用脈沖渦流與熱成像相結合的方法檢測應力。以脈沖信號為激勵，在工件中感應出瞬變渦流，對工件加熱。應力的存在使材料的導電性能發生變化，從而影響材料的導熱性能。因此，可以用熱成像的方式來估計工件中的應力大小［14］。

3 展望

國內外關于渦流法檢測殘余應力的研究都取得了可喜的進步。未來可在如下方面開展進一步的研究。

（1）目前，渦流法檢測鋁合金殘余應力的研究還比較少，但是鋁合金殘余應力的檢測是工業領域不可缺少的一部分。優秀的方法或許能夠帶來更高的效益，渦流檢測具有這樣的潛質。因此，需要更多的人參與渦流法檢測殘余應力的研究，利用現代計算機優勢，仿真與實驗相結合，提高研究水平。

（2）已有的研究大多都只考慮了單方向的應力變化對電導率的影響。然而，應力引起材料變形，在不同方向產生應變，進而引起材料不同方向上的電導率發生變化。因此，以渦流響應識別應力狀態時應該考慮此耦合關系。

（3）渦流檢測殘余應力不應只考慮單向拉伸，應力均勻分布的情況。因為現實中殘余應力的分布是不均勻的。對不均勻應力狀態的主應力大小及方向進行識別才能夠真正達到檢測殘余應力避免損傷的目的。

（4）在充分研究的基礎上，開發成型的鋁合金殘余應力渦流檢測設備，讓這一技術造福工業發展。

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此項研究為廈門市科技計劃（項目編號：3502Z20143007）資助項目。