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(上海材料研究所, 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

金屬材料殘余應(yīng)力的測(cè)定方法

巴發(fā)海,李凱

(上海材料研究所, 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

鑄造、鍛壓、焊接、噴涂等各類機(jī)械加工成型過程都會(huì)使材料引入殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在是構(gòu)件失效的主要原因之一，準(zhǔn)確測(cè)定工件的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制有著重要的意義。簡要介紹了常用金屬材料殘余應(yīng)力的測(cè)定原理與方法，概述了殘余應(yīng)力不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的適用性和局限性，重點(diǎn)闡述了sin2ψ與cosα兩種X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力的理論和標(biāo)準(zhǔn)，并展望了殘余應(yīng)力測(cè)定的發(fā)展方向。

殘余應(yīng)力； 鉆孔應(yīng)變法； 壓痕應(yīng)變法； 超聲法； X射線法； cosα方法

殘余應(yīng)力是在沒有外力或外力矩作用的條件下，構(gòu)件或材料內(nèi)部存在并且自身保持平衡的宏觀應(yīng)力。根據(jù)馬赫勞赫內(nèi)應(yīng)力模型和作用范圍大小,內(nèi)應(yīng)力可以分為3類:第一類內(nèi)應(yīng)力又稱為宏觀應(yīng)力，貫穿于整個(gè)物體內(nèi)部;第二類內(nèi)應(yīng)力存在于單個(gè)晶粒的內(nèi)部，當(dāng)這種平衡遭到破壞時(shí)，晶粒尺寸會(huì)發(fā)生變化;第三類內(nèi)應(yīng)力則是指原子間的相互作用力?？梢哉J(rèn)為，殘余應(yīng)力是第一類內(nèi)應(yīng)力的工程名稱。殘余應(yīng)力形成的根本原因是，微觀上不同原子或同種原子不同排列方式造成材料成分或者結(jié)構(gòu)上的不均勻性導(dǎo)致的原子間相互作用力的變化在宏觀上的體現(xiàn)。鑄造、鍛壓、焊接、噴涂等各類機(jī)械加工成型過程都會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的存在會(huì)改變工件服役過程中的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)工件壽命有著較大的影響。殘余應(yīng)力會(huì)引起結(jié)構(gòu)件及模具變形，形狀與尺寸準(zhǔn)確度變差；在殘余拉應(yīng)力條件下的腐蝕環(huán)境中會(huì)引起應(yīng)力腐蝕；大鍛件去除應(yīng)力不及時(shí)，殘余應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致開裂甚至斷裂。研究表明，在工件中引入適當(dāng)大小的殘余壓應(yīng)力可以延長其疲勞壽命，如噴丸處理及適當(dāng)?shù)哪佁幚砜梢允构ぜ砻嫘纬蓧簯?yīng)力層，抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，從而提高工件壽命。因此準(zhǔn)確測(cè)定殘余應(yīng)力的大小與分布，在工程領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[1-3]。

筆者評(píng)述了金屬材料殘余應(yīng)力有損及無損測(cè)定方法，概述了不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的適用性和局限性，重點(diǎn)闡述了sin2ψ與cosα兩種X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力的理論和標(biāo)準(zhǔn)，以供同行參考。

1 殘余應(yīng)力測(cè)定方法

殘余應(yīng)力的測(cè)定技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，發(fā)展至今共形成了數(shù)10種測(cè)定方法。檢測(cè)殘余應(yīng)力的方法可分為有損測(cè)定與無損測(cè)定兩大類。有損測(cè)定主要有部分釋放法、完全釋放法等，無損測(cè)定主要有壓痕應(yīng)變法、X射線衍射(XRD)法、超聲法、磁性法、同步輻射法與中子衍射法等[4-5]。殘余應(yīng)力測(cè)定的準(zhǔn)確度不僅取決于測(cè)定方法，試樣制備、儀器選擇以及測(cè)試人員的操作步驟等都會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此筆者僅對(duì)已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的殘余應(yīng)力測(cè)定方法進(jìn)行簡要介紹。

1.1 機(jī)械釋放法

根據(jù)殘余應(yīng)力的釋放形式不同，機(jī)械釋放法可以分為半應(yīng)變釋放法和全應(yīng)變釋放法。在機(jī)械釋放法測(cè)定表面殘余應(yīng)力的過程中，假設(shè)工件表面是均勻的、各向同性的，認(rèn)為工件表面是平面應(yīng)力狀態(tài)。在機(jī)械釋放殘余應(yīng)力的過程中，通過應(yīng)變儀測(cè)得釋放過程中的應(yīng)變，進(jìn)而通過彈性力學(xué)理論求出試樣應(yīng)力。

鉆孔法是常用的殘余應(yīng)力測(cè)定方法之一，其具有操作簡單、成本低、檢測(cè)速率高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。相比于其他機(jī)械釋放法，鉆孔法對(duì)于試樣的損壞較小，因此稱其為半無損測(cè)定方法。鉆孔法的缺點(diǎn)是只能用于平面應(yīng)力測(cè)定，而且鉆孔時(shí)易產(chǎn)生加工應(yīng)變，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成干擾。在分步鉆孔時(shí)，后面的鉆孔會(huì)受到前面鉆孔的影響。與射線、超聲等無損測(cè)定方法相比，鉆孔法會(huì)對(duì)試樣造成損傷。NASIM等[6]利用鉆孔法研究了螺紋焊管中焊縫附近的殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖1所示，可見沿著焊縫方向存在拉應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增加，殘余應(yīng)力的試驗(yàn)測(cè)定值與理論計(jì)算值之間的差異增大，但是應(yīng)力變化趨勢(shì)相一致。

GHASEMI等[7]人通過有限元方法求得標(biāo)定矩陣，然后利用高速鉆孔法測(cè)定了纖維金屬層壓板中的非均勻殘余應(yīng)力，并將測(cè)定結(jié)果與理論值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果如表1所示，可見隨著鉆孔深度的增加，實(shí)際檢測(cè)值與理論模擬值差異增大。

圖1 沿焊縫垂直方向上焊管的殘余應(yīng)力分布Fig.1 Residual stress distribution of the welding pipe in perpendicular direction to the welding seam:a) first principal stress; b) third principal stress

表1 纖維金屬層壓板殘余應(yīng)力的試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Tab.1 Comparison between testing values and theoretical values of residual stress of the fiber metal laminates

ASTM E837-13a給出了鉆孔法測(cè)定殘余應(yīng)力的計(jì)算方法、應(yīng)變花的幾何形狀以及安裝、鉆孔程序、非均勻應(yīng)力標(biāo)定矩陣等。根據(jù)應(yīng)力分布情況，將試樣分為均勻應(yīng)力試樣以及非均勻應(yīng)力試樣，其中又根據(jù)試樣尺寸將均勻應(yīng)力試樣分為薄試樣、厚試樣以及中厚試樣。

在均勻應(yīng)力情況下，鉆孔后測(cè)得的表面釋放應(yīng)變?yōu)?/p>

在非均勻應(yīng)力的情況下需要多步鉆孔，第k次鉆孔表面釋放的應(yīng)變?yōu)?/p>

總應(yīng)變釋放可由前面多步鉆孔釋放應(yīng)變疊加求得。國內(nèi)則參考ASTM E837-13a制訂了GB/T 31310-2014《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法》。相比于ASTM E837-13a，GB/T 31310-2014根據(jù)鉆速不同，將測(cè)定方法分為兩種：方法A高速法，方法B低速法。并且GB/T 31310-2014在附錄3中給出了鉆孔法測(cè)定殘余應(yīng)力與X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力的結(jié)果對(duì)比。但是同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該國標(biāo)存在的一些疏漏，如公式(2)右邊前兩項(xiàng)少了1/2系數(shù)。

另一種機(jī)械釋放法測(cè)定殘余應(yīng)力的方法是全釋放應(yīng)變法，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 31218-2014 《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 全釋放應(yīng)變法》。全釋放應(yīng)變法是一種有損測(cè)定方法，在測(cè)試過程中需要將待測(cè)試部分完全剝離出來，以使其殘余應(yīng)力完全釋放出來[8]。由于全釋放應(yīng)變法對(duì)試樣有較大的損害且難以測(cè)定三維殘余應(yīng)力,再加上其他殘余應(yīng)力測(cè)試方法的發(fā)展，目前全釋放應(yīng)變法的相關(guān)應(yīng)用較少。

1.2 壓痕應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法是一種利用球形壓痕誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽繙y(cè)定殘余應(yīng)力的方法，具有無損、操作簡單、適用范圍廣、精度高等特點(diǎn)[9-10]。其缺點(diǎn)是只能用于平面應(yīng)力的測(cè)定，而且對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理比較復(fù)雜。在平面應(yīng)力場(chǎng)中，由球形壓痕產(chǎn)生的材料流變會(huì)引起受力材料的松弛變形，壓應(yīng)力場(chǎng)中的材料會(huì)延伸，拉應(yīng)力場(chǎng)中的材料會(huì)壓縮。同時(shí)壓痕自身也會(huì)受到殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響發(fā)生變形，這兩種變形的疊加稱之為疊加應(yīng)變?cè)隽?，簡稱為應(yīng)變?cè)隽俊Ｑ芯勘砻?，一定尺寸的球形壓痕在殘余?yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽喀う趴捎脷堄鄳?yīng)力產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?chǔ)舉的多項(xiàng)式表示[11]，即

式中：B為無殘余應(yīng)力條件下的應(yīng)變?cè)隽?；A1，A2，A3為壓痕應(yīng)變法應(yīng)力標(biāo)定參數(shù)。

在標(biāo)定常數(shù)已知的情況下可以通過應(yīng)變?cè)隽喀う徘蟮脷堄鄳?yīng)力。關(guān)于壓痕應(yīng)變的國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 24179-2009《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 壓痕應(yīng)變法》。該標(biāo)準(zhǔn)指出，可以將應(yīng)變?cè)隽颗c彈性應(yīng)變之間的關(guān)系簡化為分段線性關(guān)系以利于數(shù)據(jù)處理。

1.3 超聲法

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波，可用于金屬材料殘余應(yīng)力檢測(cè)的頻率為0.5～10 MHz。由于超聲波的方向性好、穿透能力強(qiáng)，對(duì)于金屬材料的穿透深度可達(dá)數(shù)米，因此可以檢測(cè)試樣表面以及大體積范圍的內(nèi)部殘余應(yīng)力。同時(shí)超聲表面波可以沿試樣表面?zhèn)鞑ィ虼顺暦梢詼y(cè)定環(huán)形件的殘余應(yīng)力。與X射線儀器相比，超聲波檢測(cè)所需要的儀器更加便攜，便于現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試。超聲波速率受材料各向異性、環(huán)境溫度、探頭與構(gòu)件之間聲耦合的影響較大，因此超聲法在測(cè)定應(yīng)力時(shí)需進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。由于以上特點(diǎn)，超聲法測(cè)定殘余應(yīng)力在焊縫、齒輪、螺栓、鋼軌等方面有著重要的實(shí)際應(yīng)用[12-13]。

根據(jù)測(cè)定原理不同，超聲法測(cè)定殘余應(yīng)力又可以分為6種：臨界折射縱波法、反射縱波法、聲雙折射法、表面波法、電磁超聲法、激光超聲法。其中應(yīng)用較為成熟的是臨界折射縱波法。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)具有聲彈效應(yīng)，即材料中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響超聲波的傳播速率，其大小與材料組織、內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)、超聲波波型、傳播方向等有關(guān)。因此可以根據(jù)超聲波在試樣中傳播速率的變化得到試樣的應(yīng)力分布。在各向同性材料、小變形、平面應(yīng)力狀態(tài)下，超聲偏振橫波以及超聲縱波在垂直于平面應(yīng)力作用面的傳播速率與主應(yīng)力之間存在以下關(guān)系[14]

式中：vT1，vT2分別為σ1,σ2方向上的橫波速率；vT0為無殘余應(yīng)力時(shí)的橫波速率；σ1為第一主應(yīng)力；σ2為第二主應(yīng)力；vL為縱波速率；vL0為無殘余應(yīng)力時(shí)的縱波速率；ST,SL為超聲橫波和縱波的聲彈性常數(shù)，與材料的拉梅常數(shù)及三階彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，可由試驗(yàn)測(cè)得。

超聲法的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 32073-2015 《無損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法》。超聲法主要應(yīng)用于大范圍體積內(nèi)殘余應(yīng)力的測(cè)定，無法獲得局部殘余應(yīng)力的大小與狀態(tài)分布。

1.4 X射線衍射法

X射線衍射法由俄國學(xué)者于1929年提出，經(jīng)過多年發(fā)展，理論與實(shí)際測(cè)定方法都較為成熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種殘余應(yīng)力無損測(cè)定方法。X射線衍射法利用晶面間距隨應(yīng)力的變化來計(jì)算殘余應(yīng)力，其基本依據(jù)為彈性力學(xué)理論及X射線衍射理論[15]。

X射線應(yīng)力測(cè)定的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。圖2中OS1S2S3為試樣坐標(biāo)系統(tǒng)，OSφ為待測(cè)應(yīng)力方向,OL1L2L3為試驗(yàn)室坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖2 X射線衍射應(yīng)力測(cè)定的正交坐標(biāo)系Fig.2 Orthogonal coordinate systems relevant to XRD stress determination

根據(jù)線彈性力學(xué)理論，由ψ與φ角確定的OP方向上的應(yīng)變?nèi)缦滤綶16]

式(6)建立了待求方向上的應(yīng)力與某一方向上應(yīng)變之間的關(guān)系。在平面應(yīng)力條件下，σ3=0，可進(jìn)一步求得

式中：θ0為無應(yīng)力狀態(tài)下的衍射角；θφψ為有應(yīng)力狀態(tài)下的衍射角。

式中：K為應(yīng)力常數(shù)，MPa/(°)，與材料的彈性模量、泊松比及晶面間距有關(guān)；M為不同方向上2θφψ對(duì)sin2ψ的斜率。

當(dāng)K為已知時(shí)，只需測(cè)得M即可求得試樣中的殘余應(yīng)力。因此在不同的入射角下，測(cè)得多組衍射角2θ及與之對(duì)應(yīng)的sin2ψ，再通過最小二乘法即可求得斜率M。

當(dāng)試樣不滿足平面應(yīng)力假設(shè)時(shí)，即在垂直于試樣表面方向存在切應(yīng)力時(shí)，將式(6)進(jìn)行變形得

因此，對(duì)于給定φ角，使用測(cè)得的一系列±ψ角上的應(yīng)變數(shù)據(jù)，依據(jù)式(9)采用最小二乘法可以求出σφ和τφ。在3個(gè)或3個(gè)以上不同的φ之下，分別設(shè)置若干±ψ角進(jìn)行測(cè)定，可以計(jì)算出應(yīng)力張量。依據(jù)上述原理，歐盟、美國材料協(xié)會(huì)等組織機(jī)構(gòu)都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18]，例如ASTM E2860-2012StandardTestMethodforResidualStressMeasurementbyX-rayDiffractionforBearingSteels，EN 15305-2008Non-destructiveTesting—TestMethodforResidualStressAnalysisbyX-rayDiffraction，ASTM E1426-2014StandardTestMethodforDeterminingtheX-rayElasticConstantsforUseintheMeasurementofResidualStressUsingX-rayDiffractionTechniques等。基于此，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704-2008顯然不夠完善，在測(cè)定原理、方法、儀器選擇和數(shù)據(jù)處理等多方面都存在有待改進(jìn)的地方。在新修訂標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704-20xx中，主要參考?xì)W盟最新標(biāo)準(zhǔn)EN 15305-2008以及其他相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)GB/T 7704-2008進(jìn)行了較大的修改與完善，在保證與國際標(biāo)準(zhǔn)一致的前提下，使之更適合我國試驗(yàn)室現(xiàn)狀。目前新版GB/T 7704-20xx已經(jīng)修訂完畢，增加了大量術(shù)語和定義(三維應(yīng)力、設(shè)備、方法相關(guān))，使得過去一些含糊不清的描述表達(dá)變得規(guī)范化。為了使標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用更為廣泛，新版GB/T 7704-20xx中增加了三維殘余應(yīng)力的理論計(jì)算方法及具體測(cè)定流程。根據(jù)衍射裝置的幾何布置不同，新版GB/T 7704-20xx中將應(yīng)力測(cè)定方法分為7類，分別是：同傾固定ψ0法(ω法)、同傾固定ψ法(θ-2θ掃描法)、側(cè)傾法(χ法)、雙線陣探測(cè)器ω法、雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法(修正χ法)、側(cè)傾固定ψ法(θ-θ掃描ψ法)、粗晶材料擺動(dòng)法。不同方法的衍射儀原理和結(jié)構(gòu)如圖3～7所示。擺動(dòng)法是在前面方法的基礎(chǔ)上，使X射線管和探測(cè)器在ψ平面內(nèi)左右回?cái)[一定的角度來增加材料中參與衍射的晶粒數(shù)的一種方法，主要用于解決粗晶材料的應(yīng)力測(cè)定問題。

圖3 同傾固定ψ0法(ω法)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the inclination method with fixed ψ0 (ω method)

圖4 同傾固定ψ法(θ-2θ掃描法)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the inclination method with fixed ψ (θ-2θ scanning method)

圖5 側(cè)傾法(χ法)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the side-inclination method (χ method)

圖6 雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法(修正χ法)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the side-inclination method with double detectors (modified χ method)

圖7 側(cè)傾固定ψ法(θ-θ掃描ψ法)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the side-inclination method with fixed ψ (θ-θ scanning ψ method)

圖8 cosα方法測(cè)定殘余應(yīng)力示意圖Fig.8 Schematic diagram of the cosα method for residual stress measurement

cosα方法是一種新的X射線測(cè)定殘余應(yīng)力的方法，α指德拜環(huán)上的任一角度。當(dāng)材料中存在殘余應(yīng)力時(shí)，德拜環(huán)半徑會(huì)發(fā)生變化，如圖8所示。在cosα方法中，德拜環(huán)通過面探測(cè)器進(jìn)行接收，因此待測(cè)平面上α=0°～360°上的應(yīng)變?chǔ)纽量梢钥焖俚販y(cè)定出來[19-21]。采用cosα方法測(cè)定殘余應(yīng)力計(jì)算原理如式(9)～(11)所示。

式中：n1，n2，n3為方向余弦。

式中：ψ0為試樣角度；η為入射X射線掠射角。

因此根據(jù)式(10)，可以通過應(yīng)變?chǔ)纽羴碛?jì)算應(yīng)力σx，如式(11)所示

與sin2ψ方法相比，cosα方法是基于德拜環(huán)的分布來計(jì)算殘余應(yīng)力，因而具有諸多優(yōu)點(diǎn)。基于德拜環(huán)的方法可以獲得X射線在給定入射角的全部衍射德拜環(huán)，既提高了測(cè)定速率，又?jǐn)[脫了測(cè)角儀的束縛，擴(kuò)大了傳統(tǒng)X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力的應(yīng)用范圍，在整個(gè)德拜環(huán)上可以采集多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)誤差更小，測(cè)定數(shù)據(jù)可靠性更好。cosα方法適用于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜場(chǎng)景下的殘余應(yīng)力測(cè)定，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N測(cè)試方法。cosα方法存在的問題是檢測(cè)設(shè)備剛推向市場(chǎng)，沒有普及，缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證。

1.5 同步輻射法和中子衍射法

中子衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的原理與X射線法的一致，不同的是，中子的穿透能力更強(qiáng)，對(duì)于大多數(shù)工程材料而言可以達(dá)到厘米級(jí)別，因此中子衍射法可以測(cè)得試樣內(nèi)部更深處的應(yīng)力分布。但是中子源的建造以及運(yùn)行費(fèi)用昂貴，無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定，因此中子衍射法目前主要應(yīng)用于工程和基礎(chǔ)科學(xué)研究[22-23]，相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ISO/TS 21432:2005Non-destructiveTesting-StandardTestMethodforDeterminingResidualStressesbyNeutronDiffraction以及等同采用的國標(biāo)GB/T 26140-2010《無損檢測(cè) 測(cè)量殘余應(yīng)力的中子衍射方法》。

2 分析與展望

殘余應(yīng)力對(duì)于工件質(zhì)量、壽命有著重要的影響，其測(cè)定理論與方法也多種多樣。隨著技術(shù)條件的進(jìn)步，殘余應(yīng)力的測(cè)定也變得越來越簡單、精確，例如從位敏探測(cè)器升級(jí)到線陣探測(cè)器，結(jié)合機(jī)器人可以靈活地對(duì)不同的測(cè)試位置進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定的效率從數(shù)十分鐘縮減到數(shù)十秒鐘，實(shí)現(xiàn)了測(cè)定效率的極大提高。但是不同的殘余應(yīng)力測(cè)定方法的適用范圍有著較大的差異，因此需要根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求來選擇，如精度、范圍、試樣破壞性以及現(xiàn)場(chǎng)條件等。根據(jù)目前殘余應(yīng)力測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)手段來推斷，未來無損法測(cè)定殘余應(yīng)力的發(fā)展空間更大。為了使殘余應(yīng)力測(cè)定更好地滿足逐漸提高的精度需求和日益復(fù)雜的工況環(huán)境，更好地服務(wù)于相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展，如下5個(gè)問題應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。

(1) X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力時(shí)，采用面探測(cè)儀的cosα方法在固定ψ0下單次曝光即可得到衍射角的變化，從而計(jì)算出待測(cè)殘余應(yīng)力，其測(cè)定速率更高，數(shù)據(jù)可靠性高，應(yīng)用范圍更廣泛，應(yīng)大力推動(dòng)其設(shè)備制造及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。

(2) 各種設(shè)備(理論)測(cè)定結(jié)果存在一致性問題。在實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證活動(dòng)中，由于缺少相關(guān)權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)樣品，理論試驗(yàn)方案尤其是三維殘余應(yīng)力測(cè)定的驗(yàn)證工作開展緩慢，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可活動(dòng)也存在較大困難。

(3) 不同設(shè)備的適用范圍差異巨大，有些是原子體積量級(jí)，有些是立方毫米量級(jí)，有些是立方米量級(jí)，測(cè)定結(jié)果之間不具有可比性。

(4) 缺少政府認(rèn)可的檢定校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)室無法有效實(shí)施認(rèn)證認(rèn)可。

(5) 標(biāo)準(zhǔn)樣品尚沒有公認(rèn)的嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，試驗(yàn)室間缺少比對(duì)數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行試驗(yàn)室間數(shù)值比對(duì)。

3 結(jié)束語

簡要介紹了殘余應(yīng)力的基本概念及殘余應(yīng)力對(duì)工件性能的影響，總結(jié)了機(jī)械釋放法、壓痕應(yīng)變法、超聲法、X射線衍射法等的檢測(cè)原理及相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。在介紹X射線衍射法時(shí)著重描述了cosα方法，隨著平面探測(cè)器的發(fā)展，cosα方法成為一種新型的測(cè)定殘余應(yīng)力的方法，其具有便攜高效的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)不同殘余應(yīng)力測(cè)定方法和原理的介紹及對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)定方法的展望，給廣大科技工作者選擇殘余應(yīng)力測(cè)定方法提供一定的參考，以期推動(dòng)我國殘余應(yīng)力測(cè)定行業(yè)更進(jìn)一步的發(fā)展。

[1] BOUFFIOUX C,PESCI R,BOMAN R,etal.Comparison of residual stresses on long rolled profiles measured by X-ray diffraction,ring core and the sectioning methods and simulated by FE method[J].Thin-Walled Structures,2016,104:126-134.

[2] 王慶明,孫淵.殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展與動(dòng)向[J].機(jī)電工程,2011,28(1):11-15.

[3] GOU R,ZHANG Y,XU X,etal.Residual stress measurement of new and in-service X70 pipelines by X-ray diffraction method[J]. NDT & E International,2011,44(5):387-393.

[4] ZHU R H,XIE H M,ZHU J G,etal.A micro-scale strain rosette for residual stress measurement by SEM Moiré method[J]. Science China Physics,2014,57(4):716-722.

[5] BALDI A.Residual stress measurement using hole drilling and integrated digital image correlation techniques[J]. Experimental Mechanics,2014,54(3):379-391.

[6] NASIM K,ARIF A F M,AL-NASSAR Y N,etal.Investigation of residual stress development in spiral welded pipe[J].Journal of Materials Processing Technology,2015,215:225-238.

[7] GHASEMI A R,MOHAMMADI M M.Residual stress measurement of fiber metal laminates using incremental hole-drilling technique in consideration of the integral method[J].International Journal of Mechanical Sciences,2016,114:246-256.

[8] 印兵勝,趙懷普,王曉洪.殘余應(yīng)力測(cè)定的基本知識(shí)——第七講 機(jī)械法測(cè)殘余應(yīng)力[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2007,43(12):50-54.

[9] 陳懷寧,林泉洪,曲鵬程.壓痕法測(cè)量焊接應(yīng)力中的幾個(gè)基本問題[C]//第十一次全國焊接會(huì)議論文集(第2冊(cè)).上海：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì),2005:116-119.

[10] SAKHAROVA N A,PRATES P A,OLIVEIRA M C,etal.A simple method for estimation of residual stresses by depth-sensing indentation[J].Strain,2012,48(1):75-87.

[11] 余立,薛歡,劉冬,等.壓痕應(yīng)變法測(cè)試車橋用鋼的表面殘余應(yīng)力[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016，52(1):13-16.

[12] ZHAN Y,LIU C,KONG X,etal.Experiment and numerical simulation for laser ultrasonic measurement of residual stress[J]. Ultrasonics,2017,73:271-276.

[13] JAVADI Y,HASANI M,SADEGHI S.Investigation of clamping effect on the welding sub-surface residual stress and deformation by using the ultrasonic stress measurement and finite element method[J]. Journal of Nondestructive Evaluation,2015,34(1):1-11.

[14] 王亞民,王彥龍.殘余應(yīng)力的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù),2004(4):33-34.

[15] 羅玉梅,任鳳章,張偉,等.X射線法測(cè)量多晶材料殘余應(yīng)力[J].材料導(dǎo)報(bào),2014,28(11):112-114,127.

[16] EN 15305-2008 Non-destructive testing-Test method for residual stress analysis by X-ray diffraction[S].

[17] GB/T 7704-2008 無損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法[S].

[18] 施新華,武立宏,栗春.歐美最新X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2011,47(10):623-628.

[19] LIN J,MA N,LEI Y,etal.Measurement of residual stress in arc welded lap joints by cosαX-ray diffraction method[J]. Journal of Materials Processing Technology,2017,243:387-394.

[20] BELASSEL M,PINEAULT J,CARATANASOV N,etal.Comparison of residual stress measurement techniques and implementation using X-ray diffraction[C]//The 10th International Conference on Residual Stress.[S.l.]:[s.n],2016.

[21] 葉璋,王婧辰,陳禹錫,等.基于二維面探的高溫合金GH4169殘余應(yīng)力分析[J].表面技術(shù),2016,45(4):1-4.

[22] 徐小嚴(yán),呂玉廷,張荻,等.中子衍射測(cè)量殘余應(yīng)力研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2015，29(9):117-122.

[23] 孫光愛,陳波.中子衍射殘余應(yīng)力分析技術(shù)及應(yīng)用[C]//全國核技術(shù)及應(yīng)用研究學(xué)術(shù)研討會(huì).[出版地不詳]:[出版者不詳],2006.

MeasurementMethodsofResidualStressforMetallicMaterials

BAFahai,LIKai

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation, Shanghai Research Institute of Materials,
Shanghai 200437, China)

Residual stress will be induced into the materials by some machining forming processes, such as casting, forging, welding, spraying and so on. Residual stress is the major cause of the failure of components, and the accuracy measurement of stress state of the components has important significance for the control of the product quality. The principles and methods of residual stress measurement for metallic materials were introduced briefly, and the theories and standards of both sin2ψmethod and cosαmethod for residual stress measurement were mainly described, and the developing trend of residual stress measurement in the future was prospected.

residual stress; hole drilling strain-gauge method; indentation strain-gage method; ultrasonic method; X-ray method; cosαmethod

10.11973/lhjy-wl201711001

TG115.2

A

1001-4012(2017)11-0771-07

2017-04-06

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(16DZ2290500)

巴發(fā)海(1966-)，男，教授級(jí)高工，博士，主要從事應(yīng)力測(cè)試、失效分析與安全評(píng)估等方面的研究，bafahai@163.com