應(yīng)力測試方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡 斌（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

應(yīng)力測試方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡 斌
（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

應(yīng)力和應(yīng)力集中是承載部件和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的主要原因之一，應(yīng)力的測量和狀態(tài)評估是工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分。本文介紹了幾種常用的應(yīng)力測試方法，對其應(yīng)用范圍、檢測效率和優(yōu)缺點進行了比較,并在此基礎(chǔ)上探討了目前應(yīng)力測試技術(shù)存在的問題與未來發(fā)展方向。

應(yīng)力測試 損傷 狀態(tài)評估 測試技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)力與應(yīng)力集中是管道、壓力容器、渦輪盤、壓縮機葉片和飛機構(gòu)件等重要承載結(jié)構(gòu)件發(fā)生失效的主要原因之一。承載結(jié)構(gòu)件由于加工制造、焊接變形造成的殘余應(yīng)力以及在服役過程中動、靜載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中都會使其機械特性發(fā)生改變，尤其會對承載結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能、耐腐蝕性、疲勞強度和形狀精度等產(chǎn)生較大的影響。如何對結(jié)構(gòu)件進行應(yīng)力測量、狀態(tài)評估以期盡早發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，快速有效的分析測定結(jié)構(gòu)件重要部分的應(yīng)力與應(yīng)變分布實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件的強度分析，同時評估結(jié)構(gòu)件的使用狀況和壽命實現(xiàn)早期診斷與監(jiān)測，已成為亟需解決的問題，也是近年來力學(xué)研究的主要方向。因此應(yīng)力的測量及其狀態(tài)評估一直是國內(nèi)外研究的熱點。

1 常用應(yīng)力測試方法

應(yīng)力的存在與應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因。研究材料的應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)下材料的物理性質(zhì)，能夠預(yù)防工程應(yīng)用中可能出現(xiàn)的損壞或失效。而對于有益的物性改變，加以合理的利用可以增強材料的機械性能，因此分析材料的應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)下的物理性質(zhì)具有理論研究與實際應(yīng)用價值，應(yīng)力測試方法是實現(xiàn)這一價值的必要手段。目前，常用的應(yīng)力測試方法有機械法、光測法、磁測法、衍射法、超聲法及納米壓痕法。

1.1 機械法

●1.1.1 小孔法

小孔法于1934年由德國學(xué)者J.Mather提出[1]，并由Soete發(fā)展完善，使其具有實用性[2]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，美國材料試驗協(xié)會（ASTM）于1981年頒布了鉆孔測量法殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E837—1981），并于2008年更新為ASTM E837—08[3]，將其確定為一種標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法。其基本原理是采用結(jié)構(gòu)件表面鉆孔的方式釋放其表面應(yīng)力，并用預(yù)先粘貼好的三向應(yīng)變片測量鉆孔前后的應(yīng)變松弛，通過應(yīng)變片測量材料應(yīng)力釋放前后的應(yīng)變量，運用相應(yīng)的應(yīng)力學(xué)公式計算出對應(yīng)的主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向。

根據(jù)鉆孔是否鉆通，小孔法可分為通孔法和盲孔法。根據(jù)鉆孔方式不同，小孔法又可分為鉆孔開孔法、噴砂開孔法和高速透平銑孔法。其中鉆孔開孔法是小孔法測試殘余應(yīng)力中最簡單的開孔方式，目前在我國實際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應(yīng)用，該方法測量方便，操作簡單，且設(shè)備便宜，但鉆孔時孔壁受到鉆頭擠壓會發(fā)生塑性變形產(chǎn)生附加應(yīng)變，影響殘余應(yīng)力測量精度。噴砂開孔法的特點在于開孔不受材料限制，加工應(yīng)變很小，測量精度高，但操作過程復(fù)雜，且不適用于較軟材料或有應(yīng)力梯度構(gòu)件的測試[4]。高速透平銑孔法特點在于可在高硬度材料上銑孔，且加工應(yīng)變很小，這是由于銑孔轉(zhuǎn)速高、進刀量小以及可采用特殊的倒錐型銑刀，同時高速銑平鉆孔裝置使用也非常方便[5]。因此，高速透平銑孔法是發(fā)達國家應(yīng)用較多的小孔法殘余應(yīng)力測試方法，并且是美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E837—08推薦的小孔法鉆孔方式之一。

綜上所述，小孔法由于具有對構(gòu)件破壞性小、測量精度較高、設(shè)備輕便且便宜等特點，在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用，但在使用過程中應(yīng)注意以下問題：

1) 釋放系數(shù)A和B。釋放系數(shù)受工件材料類型、厚度、所用應(yīng)變片尺寸等因素的影響，因此對于不同的使用條件需對釋放系數(shù)分別進行標(biāo)定。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變釋放系數(shù)A、B均為常數(shù)。當(dāng)孔邊材料發(fā)生屈服時，塑性應(yīng)變的數(shù)值隨應(yīng)力水平變化，這時需對釋放系數(shù)進行分級處理[6]。

通孔法應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch理論解直接計算出，盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)則需用實驗標(biāo)定，近年來有研究將有限元法引入釋放系數(shù)的標(biāo)定中，證明有限元法能對釋放系數(shù)進行有效標(biāo)定，進而簡化了釋放系數(shù)標(biāo)定的復(fù)雜度和難度[7]。

2) 附加應(yīng)變。鉆孔時由于刀具切削作用引起孔邊塑性擠壓，會產(chǎn)生附加應(yīng)變。為消除其對測量結(jié)果的影響，可結(jié)合光學(xué)方法進行測量，其優(yōu)點在于可進行全場測量，并可得到靠近孔周的殘余變形信息。兩者相結(jié)合能使小孔法的測量精度顯著提高[8]。

3) 鉆孔偏心。在鉆孔測量時，不可避免會產(chǎn)生鉆孔偏心，標(biāo)準(zhǔn)[6]提出當(dāng)鉆孔中心與應(yīng)變花中心的不重合度誤差在(0.004～0.02)D，且不可重復(fù)時，可對測試應(yīng)力值進行修正。

●1.1.2 環(huán)芯法

環(huán)芯法由Milbradt于1951年提出[9]，其原理與小孔法相似，是在待測工件上貼應(yīng)變花，并在應(yīng)變花周圍銑一直徑為D的淺環(huán)槽，將其中的環(huán)芯部分從工件本體分離開來，殘留在環(huán)芯中的應(yīng)力同時被釋放出來，最終將應(yīng)變花測得的應(yīng)變結(jié)果帶入相應(yīng)的應(yīng)力計算公式，即可得到工件待測點的主應(yīng)力及其方向，其計算公式與小孔法相同[10]。這種方法也屬于局部破壞測量方法，其破壞性比盲孔法大，但它的應(yīng)變釋放率高于盲孔法，且可測量近表面一定深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力分布，且測試精度比盲孔法高。目前已制定環(huán)芯法測試汽輪機、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件殘余應(yīng)力的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]，并在這兩個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

環(huán)芯法測殘余應(yīng)力的誤差主要來源于應(yīng)變計靈敏系數(shù)、零點漂移誤差和釋放系數(shù)A與B的誤差及銑刀產(chǎn)生的加工附加應(yīng)變。其中附加應(yīng)變引進的誤差可預(yù)先標(biāo)定，然后在測量時扣除，以達到減少誤差的目的[12]。對于釋放系數(shù)A與B的標(biāo)定，不同材料及不同的銑槽深度需分別進行標(biāo)定，標(biāo)定方法可采用拉伸實驗法和有限元法，有限元法標(biāo)定系數(shù)與拉伸實驗法的誤差在±2%以內(nèi)，由于有限元法更為經(jīng)濟簡便，因此，推薦該方法進行釋放系數(shù)標(biāo)定。

1.2 光測法

●1.2.1 光彈性法

光彈性法是將具有雙折射效應(yīng)的透明光彈性貼片粘貼在被測工件上并置于偏振光場中，當(dāng)給工件加上載荷時，貼片上產(chǎn)生干涉條紋圖。通過測量干涉條紋數(shù)目，可確定工件在受載情況下的應(yīng)力狀態(tài)，工件應(yīng)力梯度越大，干涉條紋越密集。由于光彈性法可以顯示構(gòu)件表面的應(yīng)變場條紋圖像，可研究復(fù)雜幾何形狀和載荷條件構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)，目前光彈性法廣泛應(yīng)用于建筑、復(fù)合材料等多個領(lǐng)域的實驗測量和應(yīng)力場分析[13-15]。

光彈性方法屬于非接觸測量方法，具有機械法不能達到的全場測量優(yōu)勢，既可測量表面應(yīng)力，也可測量內(nèi)部應(yīng)力；且該方法能夠清晰地反映應(yīng)力集中部位，并可確定應(yīng)力集中系數(shù)，但其不足之處體現(xiàn)在工藝較復(fù)雜，測量周期比較長，需要將被測對象置于偏振光環(huán)境中且光學(xué)系統(tǒng)相對復(fù)雜[16]。

●1.2.2 云紋干涉法

云紋干涉法是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種現(xiàn)代光測力學(xué)方法，并且隨著D.Post[17]等研究者對云紋干涉法理論建設(shè)的完善以及試驗設(shè)備的進步，該實驗方法越來越成熟。其基本原理是將光柵粘貼在試件待測面上，兩束相干準(zhǔn)直光以一定入射角對稱入射到試件柵上，在試件表面法線方向上得到干涉條紋；當(dāng)試件受力變形后，試件柵隨之變形，干涉條紋的級數(shù)和間距將發(fā)生變化，根據(jù)彈性力學(xué)的幾何方程，可以計算出應(yīng)變場及應(yīng)力。

云紋干涉法的試件柵是柵線密度為600～1200線/mm的高密度衍射光柵，其靈敏度比傳統(tǒng)云紋法高出30～120倍[18]。云紋干涉法的圖形與光彈性實驗相似，但對模型材料沒有光學(xué)性能要求且計算方法不同[19]。云紋干涉法與電測法不同之處在于光柵（貼片）的面積大，計算點數(shù)多，能求出應(yīng)變場。云紋干涉法具有高靈敏度、條紋質(zhì)量好、條紋分辨率高、大量程、實時觀測等優(yōu)點，其應(yīng)用越來越廣泛，特別是在與小孔法、環(huán)芯法等結(jié)合測試殘余應(yīng)力方法取得了良好的效果[20-22]。

1.3 磁測法

●1.3.1 金屬磁記憶法

金屬磁記憶檢測方法是20世紀(jì)90年代，以杜波夫為代表的俄羅斯學(xué)者率先提出的鐵磁金屬材料診斷檢測技術(shù)[23]。其原理是從鐵磁金屬表面拾取地磁場作用下的漏磁場信息，處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受載荷的作用，應(yīng)力和變形集中區(qū)會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向。這種不可逆變化在工作載荷消除后會保留下來，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成漏磁場感應(yīng)強度HP的變化，即HP的切向分量HP(x)具有最大值，而法向分量HP(y)改變符號且具有零值點，通過檢測鐵磁構(gòu)件表面磁場分布情況，如磁場法向分量Hp(y)及梯度K=dHP(y)/dx等特征量，可對應(yīng)力集中或缺陷進行準(zhǔn)確推斷[24]。

目前金屬磁記憶法的主要應(yīng)用于確定設(shè)備和構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的不均勻性和應(yīng)力集中區(qū)；將其與常規(guī)無損檢測方法結(jié)合可減少檢測成本、檢測構(gòu)件裂紋（尤其是焊接裂紋）；各種類型焊接的質(zhì)量控制（包括接觸焊與點焊）；通過構(gòu)件的不均勻性對新生產(chǎn)和在役機械制造產(chǎn)品實施快速分類等[25-27]。

金屬磁記憶法是21世紀(jì)最具潛力的無損檢測方法，在實際應(yīng)用中有諸多優(yōu)點：既可以檢測宏觀缺陷，又可以檢測微觀缺陷，并預(yù)報潛在危險；檢測時采用非接觸方法，不需要對被檢測器件進行任何表面清理或預(yù)處理；能實現(xiàn)在役設(shè)備的無損檢測，無需專門的磁化設(shè)備；設(shè)備輕便、操作簡單、檢測效率高（能達到100m/h以上）。

金屬磁記憶檢測經(jīng)過近20年的發(fā)展，雖然取得了不少研究成果和檢測經(jīng)驗，但仍存在許多需要解決的問題，首先是機理尚不成熟，未形成一套系統(tǒng)嚴(yán)密的理論體系；其次是打磨、環(huán)境磁場等外因素對磁記憶檢測的影響有待進一步研究分析；對殘余應(yīng)力的定量化問題所做的研究較少[28-30]。

●1.3.2 巴克豪森噪聲法

1919年德國科學(xué)家H. Barkhausen[31]發(fā)現(xiàn)鐵磁體內(nèi)可誘發(fā)出可測噪聲信號，隨后于20世紀(jì)逐漸開發(fā)成一種新型無損檢測技術(shù)，即巴克豪森噪聲（Barkhausen Noise，BN）技術(shù)。鐵磁材料在磁化時，會發(fā)生磁疇壁移動和磁疇內(nèi)磁矩的整體轉(zhuǎn)動，并且在磁滯曲線最陡的階段發(fā)生磁疇的不可逆運動。外磁場強度連續(xù)緩慢的變化，使得磁感應(yīng)強度的變化產(chǎn)生不連續(xù)跳躍，這將在試件表面的接收線圈中產(chǎn)生一系列雜亂的電脈沖信號（即BN）。作用在鐵磁材料中的應(yīng)力大小和方向不同，將影響巴克豪森噪聲信號的強弱。因此，可通過測量巴克豪森磁噪聲的活性及各參量來評估材料的應(yīng)力狀態(tài)[32]。

巴克豪森噪聲發(fā)展相對成熟，國內(nèi)外研究主要集中在[33-34]：

1) 采用零點標(biāo)定技術(shù)繪制MBN-應(yīng)力標(biāo)定曲線；

2) 把功率譜分析引入巴克豪森技術(shù)中，對MBN信號強度進行定量分析；

3) 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了MBN信號與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系；

4) 將巴克豪森技術(shù)測量結(jié)果與傳統(tǒng)殘余應(yīng)力測量技術(shù)(如盲孔法和X射線衍射法) 相比較，探討其可行性和實用性；

5) 通過研究巴克豪森噪聲與塑性應(yīng)變的關(guān)系，來評估殘余應(yīng)力。

巴克豪森信號作為一種新的鐵磁性材料應(yīng)力的無損檢測方法，應(yīng)用前景廣闊，具有精度高、檢測速度快等優(yōu)點，但在檢測過程中應(yīng)注意以下問題[35-37]：

1）MBN測量需要校準(zhǔn)，即將信號的測量值轉(zhuǎn)換為所測應(yīng)力、硬度或缺陷的絕對值。MBN測量對材料表面無特殊要求，但構(gòu)件的表面粗糙度、氧化皮厚度等對MBN信號都有影響。因此，校準(zhǔn)樣品要與被測構(gòu)件的表面狀況一致；

2）目前常用的巴克豪森信號的產(chǎn)生是由于鐵磁性材料內(nèi)部最小單元磁疇在外磁場的激發(fā)下錯動產(chǎn)生的，激勵磁場強度、激勵信號的頻率等都會對巴克豪森信號產(chǎn)生影響。因此，需選擇合適的激勵方式；

3）巴克豪森信號的強弱不僅與材料的應(yīng)力有關(guān)，還受到材料化學(xué)成分、金相組織、熱處理及冷加工過程的影響。因此，在測試前，要使用與被測試件化學(xué)成分、金相組織和熱處理狀態(tài)均相同的標(biāo)準(zhǔn)試件，測出磁彈性參量與應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系后，才能將實測值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值。

●1.3.3 磁應(yīng)變法

磁應(yīng)變法的基本原理是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時會發(fā)生尺寸的變化。反之，當(dāng)材料處于應(yīng)力作用時，材料的磁導(dǎo)率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。測量時，在向磁各向異性傳感器提供恒定的磁電動勢的條件下，磁路中磁阻的變化將引起磁通的變化，而這種變化體現(xiàn)在傳感器上檢測線圈感生電動勢的變化，從而將非電量的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化成可以測量的電量（如電流、電壓），達到測量應(yīng)力狀態(tài)的目的[38]。

磁應(yīng)變法的研究主要是基于采用不同的傳感器設(shè)計并建立其磁輸出信號與實際應(yīng)力應(yīng)變之間定量的算法關(guān)系。上世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)、日本等國家，用U型探頭測定應(yīng)力，目前已有二級探頭、四級探頭、九級探頭、三級探頭等傳感器和儀器被陸續(xù)開發(fā)出來[39-40]。

基于逆磁致伸縮效應(yīng)的磁各向異性進行應(yīng)力測量的思想早已被提出，但真正實用化研究是近二十年的事，并且進展較為緩慢。在該方法的實際應(yīng)用中主要存在以下幾個問題[41]：

1）目前對材料的磁本質(zhì)還沒有一個完美的解釋，無法從微觀角度為磁測法提供充分的理論依據(jù)；

2）目前的磁應(yīng)變法能快速有效的檢測出試件的主應(yīng)力差，但主應(yīng)力σ1、σ2數(shù)值則需要借助邊界條件以及切應(yīng)力差法求解。在實際測量中，很難確定邊界條件而且算法累積誤差大，影響求解精度；

3）應(yīng)力與磁導(dǎo)率在應(yīng)力＜300MPa時應(yīng)力與磁導(dǎo)率近似線性，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大時，則呈非線性。因此，磁應(yīng)變法對高殘余應(yīng)力構(gòu)件的測試方面還需做進一步的研究。

4）數(shù)據(jù)處理過程中需對靈敏系數(shù)進行標(biāo)定，目前比較完善的技術(shù)是單向應(yīng)力標(biāo)定法，二向應(yīng)力標(biāo)定技術(shù)還有待完善。

●1.3.4 磁聲發(fā)射法

磁聲發(fā)射(Magnetic Acoustic Emission，MAE)法是1975年美國科學(xué)家Lord在用直流磁場作用鎳棒時，發(fā)現(xiàn)鎳的磁疇壁運動產(chǎn)生超聲波發(fā)射。隨后，Kanji和Kusanagi等人相繼做了許多試驗，進一步證實材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的磁聲發(fā)射信號強度比無應(yīng)力時所產(chǎn)生的磁聲發(fā)射信號要低一些，認(rèn)為該技術(shù)有可能成為無損檢測構(gòu)件殘余應(yīng)力和材料其它性能的新方法，并付諸了工業(yè)應(yīng)用[42-43]。

磁聲發(fā)射法的基本原理是，鐵磁性材料內(nèi)存在磁矩方向各異的磁疇，在外部磁場作用下，將產(chǎn)生磁疇的突然運動和磁化矢量的轉(zhuǎn)動，在運動時相鄰兩磁疇內(nèi)磁致伸縮不一致而出現(xiàn)位移便引起MAE脈沖信號。由于MAE信號強烈依賴于材料所受的磁化場和應(yīng)力場。因此，可根據(jù)MAE強度值的變化來推測構(gòu)件的受力情況。

與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比，磁聲發(fā)射法檢測技術(shù)具有可實現(xiàn)動態(tài)無損檢測、檢測深度大、檢測靈敏度高等優(yōu)點，但目前磁聲發(fā)射的研究尚處于起步階段，一些問題尚需進一步深入研究[44]：

1）如何消除鋼的顯微組織、成分、熱處理狀態(tài)以及所處的應(yīng)力狀態(tài)等對磁聲發(fā)射的影響；

2）現(xiàn)對材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的磁聲發(fā)射特性研究主要集中在中、低碳鋼材料上，而對高強度、高合金鋼的磁聲發(fā)射特性研究還處于空白；

3）MAE測量有明顯的尺寸效應(yīng)。通常構(gòu)件尺寸越大，測量值越小。要消除尺寸效應(yīng)，需通過對大小不同試件的反復(fù)實驗獲得修正系數(shù)。

1.4 衍射法

●1.4.1 X射線衍射法

X射線衍射法是殘余應(yīng)力測定技術(shù)中無損檢測方法之一，是研究最為廣泛深入且成熟的應(yīng)力測定方法，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中。X射線應(yīng)力測定的基本原理是：當(dāng)一束波長為λ的射線照射到多晶體上時，會在一定的角度上接收到反射的X射線強度極大值（即衍射峰）[45]。其中，X射線的波長、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從布拉格定律：

2dsinθ=nλ (n=1，2，3……)

當(dāng)應(yīng)力引起晶格間距d發(fā)生變化時，衍射角2θ隨之變化。所以要求晶面間距d的變化，只要測得衍射角2θ的變化即可。利用衍射角的變化，根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)方程，可求出材料某一方向的應(yīng)力大小[46]。

X射線衍射法最早由前蘇聯(lián)學(xué)者Akcehob于1929年提出，1961年德國學(xué)者E. Macherauch提出sin2ψ法，隨后X射線衍射法引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注并進行了深入研究。歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(CEN)于2008批準(zhǔn)了新的X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)EN 15305—2008。同年，中國也頒布標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704—2008；美國試驗材料學(xué)會(ASTM)于2010年發(fā)布了最新的X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)ASTM E915—2010[47-49]。

X射線檢測能成為目前最成熟且應(yīng)用范圍最廣泛的測量結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力的方法，其獨特的優(yōu)勢在于[50]：

1）理論成熟，測量精度高，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。與其他方法相比，X射線衍射法在應(yīng)力測量的定性定量方面可信度較高；

2）通過X射線積分法、剝層法和多波長法可測量材料的三維殘余應(yīng)力；

3）破壞性小，X射線法基本實現(xiàn)對材料的無損檢測。

但同時X射線衍射法測定殘余應(yīng)力也有其局限性：

目前X射線衍射法檢測普通碳鋼材料的殘余應(yīng)力已非常成熟，但對于鋁合金、不銹鋼、鈦合金等存在大晶粒或織構(gòu)組織的材料檢測方法還不成熟。其次X射線測量深度只有10～30μm，因此測試時對材料的表面處理非常嚴(yán)格，應(yīng)避免使用可能削弱晶界或可能優(yōu)先腐蝕某個相的化學(xué)物質(zhì)，因為它可能會導(dǎo)致局部應(yīng)力松弛，推薦先使用砂輪或紗布將工件表面打磨光滑，然后再用電解拋光去除機械或磨削加工時帶入的表層附加應(yīng)力。

●1.4.2 中子衍射法

中子衍射法應(yīng)力分析始于20世紀(jì)80年代，是近20年發(fā)展起來的一種無損測定殘余應(yīng)力的方法，可以測定大體積工件的三維應(yīng)力分布。中子衍射測量殘余應(yīng)力的基本原理與X射線應(yīng)力測定方法相似，當(dāng)波長為K的中子束通過多晶材料樣品時，對應(yīng)晶面間距d，在滿足布拉格關(guān)系(λ=2dsinθ)的位置出現(xiàn)衍射峰。在應(yīng)力的作用下晶面間距產(chǎn)生變化Δd，則衍射峰位置產(chǎn)生移動，通過測定這種移動獲取材料的應(yīng)力狀態(tài)[51]。近年來，中子衍射測試技術(shù)多被應(yīng)用于材料焊縫及周圍熱影響區(qū)的三維殘余應(yīng)力分布、宏觀部件熱加工、熱處理和機加工后殘余應(yīng)力的測量[52]。

與常規(guī)X射線衍射相比較，中子衍射殘余應(yīng)力分析的獨特優(yōu)勢是中子具有很強的穿透能力，對于大多數(shù)工程材料而言，穿透能力在厘米量級，并能監(jiān)視現(xiàn)實環(huán)境和加載條件下殘余應(yīng)力的演化，是測量較大體積固體材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的獨特技術(shù)。

中子衍射測量殘余應(yīng)力的缺點是首先中子源的流強較弱，測量時間較長；其次中子衍射測量需要樣品的標(biāo)準(zhǔn)體積較大，且空間分辨較差，通常為10mm3，是X射線衍射的十分之一，因此，中子衍射不能測量材料表層的殘余應(yīng)力，只有測量在距表面100μm及以上區(qū)域測量，中子衍射方法才具有優(yōu)勢。另外，中子衍射殘余應(yīng)力測量受中子源的限制，衍射裝置不具有便攜性，無法在工作現(xiàn)場進行實時測量[53]，且中子源建造和運行費用昂貴，在一定程度上也限制了該方法的商業(yè)應(yīng)用。

1.5 超聲及納米壓痕法

●1.5.1 超聲波法

S.Okada于1940年提出應(yīng)力引起的聲雙折射現(xiàn)象，1953年美國田納西大學(xué)D.S.Hughes和J.L.Kelly根據(jù)有限變形理論，提出各向同性材料聲彈性理論的早期表達形式，最先建立了超聲波在材料中傳播時速度與應(yīng)力之間的關(guān)系，由此奠定了聲彈性理論的基礎(chǔ)[54]。

目前超聲波測量殘余應(yīng)力的方法有多種，其中聲速測量法和頻譜分析法是應(yīng)用最廣泛的兩種方法。聲速測量法是根據(jù)聲彈性公式中構(gòu)建的聲速與應(yīng)力的關(guān)系，通過測量波速變化就可以計算出材料殘余應(yīng)力的大小，聲速測量法主要有相位比較法、聲時測量法、臨界角折射測量法等，其中聲時測量法應(yīng)用最為廣泛。頻譜分析法測量應(yīng)力的原理是：超聲波橫波受力時會分解成傳播速度不同的兩束波而產(chǎn)生干涉效應(yīng)，通過測量接收信號的回波功率譜來計算應(yīng)力值[55]。

在應(yīng)力測量中使用的波形有：橫波雙折射，優(yōu)點是波形對應(yīng)力最敏感；SH波，優(yōu)點是無需標(biāo)定聲彈性系數(shù)；縱波、縱波和橫波相結(jié)合等方法[56]。20世紀(jì)末使用臨界折射縱波測量得到了極大的發(fā)展并已成功用于簡單應(yīng)力狀態(tài)的測量。由于表面波聲速低、可隨頻率變化，在探測不同表面深度的應(yīng)力變化方面，已逐漸成為研究焦點。

目前超聲檢測殘余應(yīng)力的工程應(yīng)用主要為：鐵路工業(yè)中鐵軌車輪的應(yīng)力測量，建筑行業(yè)螺栓緊固應(yīng)力的測量，制造業(yè)中焊接殘余應(yīng)力的測量。其中，螺栓應(yīng)力測量最為成熟，而對焊接殘余應(yīng)力（復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)）的超聲波測量方法與設(shè)備仍處于實驗室測量和探索階段，并未真正應(yīng)用于工程測量[57-58]。

超聲波法作為結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力無損檢測的重要方法，具有測量簡便、快速、適合在線檢測等優(yōu)點，同時在應(yīng)用中也存在一些問題：

1）工件中聲速對應(yīng)力的響應(yīng)非常小，通常兆帕級的應(yīng)力只引起聲速納秒級的變化，這樣對信號處理的要求就非常高；

2）檢測過程中由于材料組織結(jié)構(gòu)(特別是織構(gòu)、粗晶)等原因會引起一定程度的織構(gòu)效應(yīng)。織構(gòu)效應(yīng)會引起聲速的波動，這種波動可能會超過應(yīng)力引起的聲速變化；

3）對于軋制鋼板等材料，不可避免的存在各向異性。這種現(xiàn)象對聲速的影響可能也會超過應(yīng)力對聲速的影響，導(dǎo)致難以區(qū)分應(yīng)力狀態(tài)。

●1.5.2 納米壓痕法

納米壓痕(nanoindentation)技術(shù)又被稱為深度敏感壓痕(depth sensing indentation)技術(shù)，是由Oliver等[59-60]人提出并發(fā)展。該方法基于彈性接觸力學(xué)，通過實驗得到的加載、卸載曲線的分析不僅可以得到硬度和彈性模量，而且可以得到諸如蠕變參數(shù)、殘余應(yīng)力、相變和位錯運動等豐富的信息。

對于納米壓痕技術(shù)的研究方面，Bolshakov等[61]對鋁合金8009進行了納米壓痕試驗和有限元分析，發(fā)現(xiàn)硬度和彈性模量受殘余應(yīng)力影響不明顯，而接觸面積對殘余應(yīng)力影響卻很敏感，由于接觸面積的測量存在誤差較大。Swadener等采用球形壓頭做實驗，提出用接觸壓力代替接觸面積來計算殘余應(yīng)力的模型，并發(fā)現(xiàn)壓痕試驗中采用球形壓頭測殘余應(yīng)力得出的結(jié)果更為準(zhǔn)確。隨后，為克服上述模型僅適用于等雙軸應(yīng)力的缺點，Lee等又提出了新的適用于非等雙軸表面應(yīng)力模型[62-63]。

通過納米壓痕法測量殘余應(yīng)力的理論模型均采用球形，圓錐形和棱形對稱壓頭，并將殘余應(yīng)力假設(shè)為等軸或不等軸的表面應(yīng)力，僅能測定平均殘余應(yīng)力的大小，且殘余應(yīng)力的方向和每個方向上殘余應(yīng)力的大小還無法確定。這些都阻礙了納米壓痕法測定復(fù)雜表面殘余應(yīng)力的發(fā)展[64]。

2 常用應(yīng)力測試方法比較

傳統(tǒng)的應(yīng)力測量方法，如機械法、光測法、衍射法等，其優(yōu)勢在于理論體系完備，檢測方法成熟，可以精確測量構(gòu)件表面的主應(yīng)力大小與方向，給出應(yīng)力分布圖，但檢測周期長，對構(gòu)件表面光潔程度要求高，大多采用接觸式測量方法，操作過程復(fù)雜。例如，機械法對被檢測對象有破壞，只能逐點測量，精度受應(yīng)變片柵長限制；多點測量時，需反復(fù)安裝應(yīng)變片，多次調(diào)整檢測電路；光測法對光學(xué)元件及光路調(diào)整要求較高，對被測件表面質(zhì)量要求也很高，并且受檢測設(shè)備的限制，許多工業(yè)結(jié)構(gòu)無法安裝光路；對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻的構(gòu)件，制造模型困難，難以應(yīng)用光測方法分析應(yīng)力。因此，目前這些較為成熟的應(yīng)力定量檢測方法都很難適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求，在應(yīng)用中可將光測法與機械法相結(jié)合，可顯著提高應(yīng)力測量精度。衍射法能對應(yīng)力進行準(zhǔn)確的定量檢測，但儀器較大且設(shè)備昂貴，不適合現(xiàn)場復(fù)雜條件下的應(yīng)力檢測。超聲波法和納米壓痕法因其操作的簡便性，而具有廣闊的應(yīng)用前景，但超聲波法只能測試一定距離內(nèi)的平均應(yīng)力，無法對單點做定量檢測，納米壓痕法的理論模型尚不成熟，還有待做進一步的實驗研究。

磁學(xué)應(yīng)力測試方法檢測時傳感器不需要緊貼在構(gòu)件表面，在一定的提離值范圍內(nèi)，檢測信號強度不會受到影響，因此檢測對構(gòu)件表面狀況沒有嚴(yán)格的要求。與其他檢測方法相比，具有操作簡單，可進行非接觸檢測的優(yōu)點，縮短了檢測時間，適合工業(yè)在線檢測的需要，便于實現(xiàn)現(xiàn)場的快速自動化檢測；但磁學(xué)應(yīng)力測試方法的缺點在于信號產(chǎn)生原理復(fù)雜，定量檢測困難，在內(nèi)應(yīng)力和磁化場作用下，構(gòu)件內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的運動機理還沒有得到更好的解釋。目前主要通過實驗的方法，研究應(yīng)力場作用下構(gòu)件的各類磁參數(shù)變化，通過科學(xué)的假設(shè)結(jié)合實驗結(jié)果研究構(gòu)件內(nèi)部磁疇運動機理。目前，采用磁學(xué)方法檢測應(yīng)力主要應(yīng)用于定性檢測和定量化要求不高的場合，在檢測精度較高的時候，常與其他檢測方法配合使用，該方法可以快速定性的判斷構(gòu)件應(yīng)力狀況，找出應(yīng)力集中或危險位置，再進行針對性的定量測量。表1是各應(yīng)力檢測方法的特點對比分析。

表1 幾種應(yīng)力測試方法比較

方法 損壞性 精確度 操作繁簡 優(yōu)點 局限性環(huán)芯法有損（比小孔法損害大）較高（比小孔法精度高）較復(fù)雜精度高，設(shè)備輕便且便宜，可實現(xiàn)對應(yīng)力定量檢測有損檢測，操作復(fù)雜，檢測速度慢，不適合工業(yè)現(xiàn)場光彈性法 無損 高 復(fù)雜非接觸測量，既可以測量表面應(yīng)力，也可測量三維內(nèi)部應(yīng)力問題結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量周期長，對檢測環(huán)境要求較高，不適合工業(yè)現(xiàn)場大規(guī)模檢測云紋干涉法無損 高 復(fù)雜非接觸測量，靈敏度高，能實現(xiàn)實時觀測結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對檢測環(huán)境要求較高，不適合工業(yè)現(xiàn)場大規(guī)模檢測金屬磁記憶法無損 較低 簡單設(shè)備輕便、操作簡單、檢測效率高、非接觸檢測理論基礎(chǔ)不足，機制不清，定量檢測困難巴克豪森噪聲法無損 較低 較簡單 檢測速度快需磁化，需專門的數(shù)據(jù)采集和處理，儀器復(fù)雜磁應(yīng)變法 無損 較低 中等 檢測速度快需磁化，需專門的數(shù)據(jù)采集和處理，儀器復(fù)雜磁聲發(fā)射法無損 較低 中等檢測速度快，檢測深度大（可達十幾毫米）。需磁化，對表面要求高，需要壓電傳感器，對檢測儀器要求較高X射線衍射法無損 高 較簡單 檢測精度高，定量化效果好儀器復(fù)雜，檢測速度慢，不適合工業(yè)現(xiàn)場大規(guī)模檢測中子衍射法無損 高 復(fù)雜 檢測精度高，定量化效果好儀器復(fù)雜，設(shè)備昂貴，檢測速度慢，不適合工業(yè)現(xiàn)場大規(guī)模檢測超聲波法 無損 中等 較簡單既能測試表面殘余應(yīng)力也能測試深度方向殘余應(yīng)力，測試速度快。理論尚不完善，表面處理要求高納米壓痕法幾乎無損 較高 較簡單 測量方便，快速 理論模型還不是十分成熟

3 結(jié)束語

應(yīng)力測量和狀態(tài)評價方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)形成了各具特色的多種檢測技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，成為現(xiàn)代工業(yè)安全保障和產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段。然而，無論是傳統(tǒng)的應(yīng)力測量方法，還是新型的磁學(xué)、聲學(xué)應(yīng)力測試方法，在應(yīng)力的定量檢測方面還存在一定難度，特別是隨著近年來現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和社會安全保障水平的提高，各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)?yīng)力測量和評價方法提出了更高的要求。為了提高應(yīng)力測量的檢測精度和檢測效率，兩種或兩種以上檢測方法配合使用，成為當(dāng)前應(yīng)力測量和狀態(tài)評估研究的一大發(fā)展方向。由此，尚需進一步開展的理論和應(yīng)用研究工作包括：

1）測量效率與測量精度的矛盾問題。

測量方法現(xiàn)場應(yīng)用的復(fù)雜性、便捷性、測量精度以及對被測量對象是否會造成損傷是工程實際適用性評價主要考慮的因素，而現(xiàn)有的方法都難以同時滿足快捷、準(zhǔn)確和無損測量的要求，如何根據(jù)現(xiàn)場情況和檢測方法的應(yīng)用領(lǐng)域選取多種方法進行優(yōu)化組合，是應(yīng)力測量和應(yīng)力狀態(tài)評價方法今后應(yīng)用的一個重點研究方向。譬如，在承壓設(shè)備的殘余應(yīng)力測量和評估中，X射線衍射法和金屬磁記憶法兩者組合大大提高了工作的時效性和準(zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)單一方法在量化精度和評價速度上不能同時保證的矛盾。

2）量化測量方法的理論與實現(xiàn)問題。

傳感器技術(shù)和聲學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)等的應(yīng)用理論研究，使得現(xiàn)有的聲學(xué)和電磁學(xué)應(yīng)力測量評價方法得以突破原有的理論模型瓶頸，從而成為應(yīng)力測量和評價技術(shù)的研究熱點。其主要體現(xiàn)在：一是如何將材料組織結(jié)構(gòu)的變化與應(yīng)力的關(guān)系量化和簡化，進而與材料的聲學(xué)和電磁學(xué)性能關(guān)聯(lián)，以獲取高精度的測量結(jié)果；二是進一步發(fā)展高精度高敏感度的傳感器技術(shù)，以捕捉應(yīng)力應(yīng)變引起的微弱的聲學(xué)或電磁學(xué)特征變化，這為提高應(yīng)力測量精度和評價效果提供了重要的技術(shù)支撐。

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[國家質(zhì)檢公益專項：201210026]

The Present Condition and the Developing Trend of the Stress Testing Methods

Hu Bin
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Stress and stress concentration are the main reasons which cause the damage of the load bearing parts and structure. Stress measurement and stress condition evaluating is an important part of industrial production. Several common stress testing methods are introduced in this paper; and the application scope, detection efficiency, advantages and disadvantages of these methods are compared. The problems of these current stress testing methods are discussed and the future development directions are pointed out.

Stress testing Damage Condition evaluating Stress testing technology

X959

B

1673-257X(2015)12-0001-09

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.001

胡斌(1977～)，男，博士，高級工程師，從事電磁無損檢測技術(shù)工作。

2015-10-28）