云紋干涉法測量殘余應力的研究現狀

鄧新，邱長軍

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421000）

0 引言

大部分零件在加工制造過程中均會產生殘余應力[1]。殘余應力是指外力或溫度場等外作用場完全消失后留在物體內自相平衡的內應力，對構件力學性能有著顯著的影響[2]。殘余應力測量可以分為非破壞性技術和破壞性技術。非破壞性方法在測量時不需要破壞工件，例如X射線衍射法、中子衍射法、拉曼光譜法和納米壓痕技術等方法。一些最普遍的破壞技術是鉆孔法、環芯法、剝層法、輪廓法和裂紋柔度法等。

云紋干涉法是一種重要的光學方法，是過去幾十年來用于應力分析的光學方法中最重要的進步之一，具有準確性高、靈敏度高、分辨率高、成本低和標本制備方便等優勢。與有損方法相結合，可以準確獲得試樣殘余應力釋放后的變形場[3]，在復合材料、生物力學、斷裂力學等方面成功應用，是一種非常具有應用前景的光學測量方法。

1 云紋干涉法的基本原理

云紋干涉法原理如圖1所示，自單個相干激光源的光被分成兩束，以圖示的A和B照射樣品表面。

圖1 云紋干涉法原理圖

由精細線條組成的衍射光柵，直接復制或制作在樣品表面。光束的衍射產生了一個“虛擬光柵”，給出了由明暗線組成的干涉條紋。笛卡爾坐標系中x和y方向的位移分量可表示為：

式中：f為樣品光柵的頻率；Nx為u場的等位移條紋級數；Ny為v場的等位移條紋級數。

位移產生的相應應變分量為：

2 云紋干涉法測量材料殘余應力的應用

經過幾十年的發展，云紋干涉法測量殘余應力技術已經取得了很大的進步。因其具有靈敏度高、條紋質量好、可實時觀測、全場分析等優點，在材料殘余應力測量方面得到廣泛的應用。Jiang Yi等[4]利用云紋干涉法測定等離子噴涂，測量了Ni-Cr-B-Si涂層沿試樣厚度方向的殘余應力分布，實驗結果表明：涂層和基體中的殘余應力分別為拉應力和壓應力；涂層的殘余應力隨著離涂層表面距離的增加而減小，在涂層-基體界面處幾乎為零；基底的最大殘余壓應力出現在涂層-基底界面附近。Zhang Hongye等[5]采用CSMM( Curved Surface Micro-Moiré)方法對不銹鋼管焊縫附近的曲面殘余應力進行了實驗研究，實驗結果表明：環向應力和軸向應力在焊縫中同時存在；軸向應力從424.2 MPa逐漸降低到0 MPa，而周向應力減少為壓應力，然后為0。A. Sciammarella等[6]利用相干光反射/投影云紋干涉術測量薄膜的偏轉和殘余應力。開發了一種新型光學裝置，用于測量涂層樣品中產生的撓度和殘余應力。在硅襯底上沉積ZrN薄膜的情況下，成功地進行了原位測量，測量結果與相關文獻報道數據一致，證實該試驗方法的可行性。

云紋干涉法在生物力學的變形測量及復雜大型設備的形狀效應的校正方面也有應用。Li Fangchi等[7]綜述了數字云紋干涉術分析牙本質組織生物力學，通過研究牙齒結構中從10-5～10-3應變范圍內的應變分布，發現云紋干涉計術是一種研究各向異性和復雜牙齒結構變形特性的有效方法，具有高靈敏度和精確度。P. M. Alcover等[8]提出一種從周期性簡單層的疊加獲得云紋干涉圖的方法，分析了規則層的超位置如何提供信息，從而能夠測量移動、旋轉和縮放變化，無論該層是平行的、規則的還是同心的。Pofelski等[9]介紹了一種基于掃描透射電子顯微鏡云紋干涉測量和幾何相位分析的應變表征技術，在特定頻率下對晶體周期進行采樣，應用采樣理論的基礎來解釋電子顯微照片中2D云紋特征的形成。使用STEM云紋GPA（Geometrical Phase Analysis）技術可以確定大型設備上（最大幾微米）的2D相對變形圖。

2.1 云紋干涉法與鉆孔法

云紋干涉法與有損方法相結合時，利用破壞試樣釋放殘余應力的變形場來計算殘余應力。利用云紋干涉法與鉆孔法結合，云紋干涉法可以在非常接近鉆孔邊界的位置進行有用的測量，比通過應變儀進行的測量要近得多，在研究材料殘余應力領域應用廣泛。

云紋干涉法與鉆孔法結合測量殘余應力的方法首先由McDonach提出。與傳統的鉆孔方法相比，云紋干涉法結合鉆孔法是一種全局測量，具有較好的性能分辨率和允許測量更接近孔邊緣，同時采用理論分析和實驗相結合的方法。Qin Le等[10]研究了云紋干涉法結合鉆孔法測量殘余應力時測試區域位置的影響。研究表明，在平面應力狀態下，應變測量位置和孔中心之間的距離r與孔的半徑a之比（即r/a），在1.2

由于應變儀應變花的使用存在一些實際缺點，為了盡可能減少應變測量的誤差，Chen Jubing等[15-16]使用云紋干涉法與鉆孔法相結合，在云紋干涉測量中采用沿0°、45°、90°方向分布的光柵應變花，來確定纖維增強復合材料中消除的殘余應變。在殘余應力隨鉆孔深度的變化而表現出系統變化的地方，非牛頓力和鋁的行為在復合材料中表現得非常明顯，并且在相鄰層中表現出不一致的應力。Zhang Keming等[17]研制了光柵應變花云紋干涉法和增量鉆孔相結合的系統，測定鋁板在均勻單軸拉伸載荷作用下的殘余應力大小。樣品中u(x，y)、v(x，y)和s(x，y)全場分布的實驗值與有限元數值解一致。進一步證實了云紋干涉法與鉆孔法的可行性。

2.2 云紋干涉法與其它方法

目前基于云紋干涉法與其他方法相結合測量殘余應力的報道相對較少，還有待進一步研究。隨著光學、數字圖像處理、數值方法和計算能力方面的改進，這些技術既促進了測量精度和可靠性的提高，也促進了實際應用范圍的擴大。吳立夫等[3]實驗研究了基于云紋干涉技術的環芯和切槽殘余應力測量方法，發現對于過盈配合試件，該方法與鉆孔云紋干涉法的測量結果相同；且云紋干涉環芯法的測量精度比切槽法更高、更易于操作，并能獲得面內殘余應力的所有分量，具有更為廣泛的適用性。

Zhu Jianguo等[18]采用云紋干涉法結合切割松弛法和納米壓痕技術在不銹鋼基體上沉積等離子噴涂熱障涂層，進行了不同尺度的測量。切割松弛法的條紋圖可以在宏觀尺度上清楚地說明由殘余應力引起的變形，納米壓痕技術可以在微觀尺度上評估殘余應力的分布。A. Baldi[19]研究了云紋干涉法結合增量環芯法測量殘余應力，實驗結果表明：光學干涉法測量增量環芯法產生的位移變化，描述位移場的泛函與鉆孔分析中使用的泛函完全相同。

3 展望

云紋干涉法作為一種全場測量光學方法，受到了國內外廣大研究者的關注。隨著不斷提高生產率、提高操作安全性、優化制造工藝和盡早發現產品缺陷的工業需求，以及激光、光纖、圖像傳感器和計算機技術的快速發展，云紋干涉法將在無損檢測領域發揮越來越重要的作用。云紋干涉法與有損殘余應力測量技術的結合使用可以準確地獲得試樣釋放殘余應力后的變形場，將云紋干涉法結合其他方法協同測量殘余應力這一研究領域未來還有很大的研究空間。