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收藏！殘余應力檢測技術最全匯總，你不能不知道

來源：時間：2022-10-08 11:08:16 瀏覽：5281次

殘余應力是指產生應力因素消失(如：載荷去除、加工終止、溫度均勻、相變完成等)，但形變、體積變化仍不均勻，為保持平衡而在構件內部存留應力。

殘余應力是構件力學性能最主要的影響因素之一，如拉伸殘余應力會降低拉伸屈服極限、提高壓縮屈服極限，壓縮殘余應力正好相反;宏觀殘余應力會產生形變、并影響疲勞壽命，微觀殘余應力導致組織內產生微裂紋發(fā)生脆性破壞。

在服役過程中，殘余應力與工作應力疊加容易產生二次變形和應力重新分布，產生變形、開裂、耐腐蝕性能及構件整體穩(wěn)定性下降，如當交變荷載工作時區(qū)域應力達到屈服點時會產生局部塑性變形;高溫工作條件下產生高溫蠕變開裂;腐蝕環(huán)境下產生應力腐蝕開裂。

降低有害殘余應力，預測殘余應力分布趨勢和數(shù)值大小是十分必要的。本文對殘余應力的測試方法按有損、無損兩類進行測試方進行介紹，分析比較了各種應力測試方法的誤差來源及應用的局限性，探討殘余應力測量技術的發(fā)展方向。

01

有損應力測量法

1.1

盲孔法

盲孔法在1934年由德國學者MatharJ提出，現(xiàn)已經發(fā)展的較為成熟。其原理就是在被測工件的表面貼上應變花，并對工件打孔，孔周圍應力松弛，而形成新的應力/應變場分布J；通過標定應變釋放系數(shù)A、B，基于彈性力學原理可推算出工件原有殘余應力及應變。在3個應變片上產生的應變與板上殘余主應力有如下關系：

式中：ε1、ε2和ε3，分別為由應變片R，R2和R，所測得的釋放應變;σ1，σ2為殘余主應力;E為材料彈性模量;A、B為應變釋放系數(shù),其可由彈性力學Kirsch理論解得出：

式中：E為彈性模量，u為泊松比，d為鉆孔直徑，rm為應變片平均直徑。鉆孔過程中，孔壁經歷了彈性變形、塑性變形和切斷過程，孔壁周圍產生附加應力/應變，附加應力/應變大小受孔徑、孔深、距離盲孔中心遠近的等因素的影響。盲孔法測殘余應力時，鉆孔偏心、孔周圍塑性變形均會影響其測試精度)。測量位置的選取應遵循以下原則：測量區(qū)域附近應力梯度小;點間距在孔徑的15倍以上;選擇典型位置。

1.2

壓痕法

壓痕法是基于硬度測試原理發(fā)展起來的，是一種無損或微損的應力測量技術。其原理是局部載荷作用下，存在內應力構件會因應力疊加會產生位移和應變，測量出位移△Z和應變△ε，可推算出構件原有表面殘余應力(一般的壓痕直徑和深度為1.2mm×0.2mmm)。

壓痕法測定時需要注意的問題包括：壓痕測試區(qū)和周圍塑性應變區(qū)控制，如果塑性應變區(qū)完全與測試區(qū)重合，則影響測量結果，塑性區(qū)完全隔絕，則測試靈敏度下降;壓痕應變增量與殘余應力的函數(shù)關系確立;標定實驗和模擬計算，確立應變增量與材料特性之間的定量關系，以計算模擬代替標定。

1.3

切割法

切割法是將金屬沿變形平面切開，精確測量切割面的變形輪廓，然后將測試輪廓進行擬合，將擬合結果作為有限元模型的邊界條件進行彈性計算獲得了內部垂直切割平面的應力分布，可以得到切割面應力的分布趨勢和特征，適用于大塊材料殘余應力的定性測量。

切割法由于將結構件破壞，殘余應力釋放完全，測量精度高?？衫秒娮钁冇嫓y量釋放應力，間接得到樣品內的初始殘余應力。

02

無損應力測量法

2.1

超聲波法

超聲波法是通過超聲波在材料內部的傳播特性，即拉應力引起聲波傳播時間變長聲速變慢，壓應力相反，利用應力引起的聲雙折射效應對應力進行測量。應力改變引起聲速變化很微小，100MPa大約只引起聲速0.1%的變化。臨界折射縱波(LCR)是折射角為90度時的折射縱波，其對應力最敏感，應片也最為廣泛。LCR波的應力計算方法如下：

式中：t0、t為無應力狀態(tài)和應力狀態(tài)下聲波的傳播時間，Ki為聲彈性常數(shù)。超聲波穿透能力較強，可以無損檢測構件內部及表的殘余應力，且超聲檢測儀器易于攜帶，可用于室外及現(xiàn)場測量。但超聲法在測量應力時需做標定實驗，且受探頭與構件之間聲耦合層厚度變化、構件材料組織、環(huán)境溫度的影響。

2.2

磁性法

目前應用的磁性方法有兩種：磁噪聲法和磁應變法。磁噪聲法測量基本原理是利用鐵磁性物質的磁致伸縮效應。應力會導致鐵磁性材料疇壁間距的改變，從而影響巴克豪森(磁感應強度B隨磁場強度H改變呈現(xiàn)不連續(xù)的跳躍)發(fā)射信號的強弱，其測量裝置如圖4所示。磁應變法是利用材料的磁各向異性進行應力測量，存在應力時磁導率會發(fā)生相應變化，測量時傳感器與材料表面構成的磁回路磁阻變化，進而導致磁回路的磁通量發(fā)生變化，磁性應變儀示意圖如圖5所示。

磁應變法不能測大殘余應力(大于300 MPa)，此時應力與磁導率的關系呈非線性。磁性法設備小巧、測試步驟簡單、測量速度快，但難以直接測得多點應力值，僅能測得單點處主應力差與磁測參數(shù)間的定量關系，通過水平或垂直的勵磁方式來研究材料的磁特性和磁力間的關系，并建立與應力之間的定性、定量關系是該領域的研究熱點。

該法測試材料種類僅限于測定如鋼、鐵等鐵磁性材料中的應力;此外，與超聲波法一樣，磁性法雖可以測量材料內部應力，但測量結果受材料微觀結構(空隙、空隙、裂紋等)干擾較大。后行業(yè)專家黃海鴻等人提出一種金屬磁記憶檢測技術，可以快速檢測到構件的危險區(qū)域，并可通過磁記憶信號梯度值指示應力集中情況。

2.3

X射線衍射法

X射線法是由俄國學者于1929年提出，經過多年發(fā)展，理論與實際測定方法都較為成熟，是目前應用最為廣泛的一種無損殘余應力測試方法。

1、原理

X 射線衍射法測量殘余應力是基于X 射線衍射理論。當一束波長為λ 的X 射線照射在晶體表面時，會在特定的角度(2θ)上接收到X 射線反射光的波峰，這就是X 射線衍射現(xiàn)象。其中衍射角2θ與 X射線的波長λ、衍射晶面間距d之間遵從著名的布拉格定律：2dsin?=nλ. 。

式中，K 為彈性常數(shù)，當入射線的波長選定之后(λ 一定)，通過測定衍射角θ，即可由布拉格方程得到受力之后的晶面間距，繼而得到相應的殘余應力值。這里需要指出的是由于晶體是各向異性的，因此彈性常數(shù)K 和宏觀意義上的彈性模量E 是不同的，需要根據(jù)所選擇的衍射晶面來計算出彈性常數(shù)K。

1961 年德國學者Macherauch 結合彈性理論和布拉格方程提出了測二維殘余應力的sin2ψ法：