表面残余应力测试技术的研究及应用现状

热喷涂涂层残余应力分析及研究进展分析了热喷涂涂层中残余应力产生的起因，总结了涂层残余应力的测量方法，并提出了进一步展望，对涂层残余应力的研究具有重要的意义。

标签：热喷涂；残余应力；测量方法随着新工艺和新材料的不断开发和应用，热喷涂涂层正在越来越多的领域发挥着耐腐蚀、耐磨损、耐高温等作用，极大地提高了零件的使用寿命。

但是，热喷涂过程中由于涂层与基体之间存在较大的温度梯度和物理特性差异而造成的残余应力，严重地影响涂层的使用寿命。

因此，热喷涂涂层中残余应力的研究有着十分重要的意义。

1.残余应力的产生原因由于热喷涂材料制备工艺涉及高温、大温变或高升温率等环节，材料成晶中必然存在大于通常的机加工的残余应力。

其残余应力与等离子体状态、基体和粉末的性能、样品的几何尺寸和形状、约束方式、材料微结构、温度、瞬态效应和耦合效应以及工作环境等诸多因素有关。

主要原因可以归纳为以下三个方面：1.1本征应力在等离子喷涂过程中当熔融的喷涂颗粒高速运动撞向基体时，颗粒从熔融温度降到基体温度或前一涂层温度时快速冷却、急剧收缩，造成材料的变形，材料的相变和状态变化的不均匀引起残余应力，这种残余应力是等离子喷涂涂层沉积过程中所固有的，为涂层的本征应力。

如图1所示：式中，αd是沉积物的热膨胀系数，E0是室温下涂层材料的弹性模量，ΔT′是喷涂材料熔点同基体温度的差值。

1.2热失配应力喷涂材料和基体材料热物理系数的差异是造成涂层残余应力的另外一种因素。

在沉积过程中喷涂材料与基体材料的热膨胀系数和弹性模量不同，在喷涂过程完成后涂层和基体冷却到室温时产生的一种热不匹配应力。

同时在等离子喷涂涂层沉积过程中，温度的改变、应力弛放过程化学成分的变化以及相结构的变化均可引起残余应力的变化。

如图2所示：式中，EC是涂层的弹性模量，αc和αs分别是涂层和基体的热膨胀系数，ΔT 是温度差值。

1.3 热梯度效应热喷涂材料制备工艺的主要特点之一是瞬态喷射。

即被等离子体射流加热熔化的高温粉末熔滴瞬间内高速喷射到基体表面上，在沉积层中产生热梯度，与非弹性效应一样，热梯度现象也产生残余应力。

表面残余应力测试技术研究及应用现状表面残余应力测试技术研究及应用现状摘要: 在生产、处理或加工材料的过程中，由于材料的局部区域的不均匀塑性变形，产生了残余应力。

残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响; 提高表面塑变抗力，降低表层的有效拉应力，可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。

本文主要介绍一些常用的表面残余应力的测试技术以及应用现状。

关键词:表面残余应力;X －射线衍射; 测试参数金属材料在热处理、表面处理、表面改性、塑性变形加工等各种冷热加工之后或在切削、研磨、装配、铸造、焊接等加工工艺之后，材料的局部区域产生了不均匀的塑性变形，必然会产生内应力。

残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料中发生了不均匀的弹性形变或不均匀的弹塑性变形而引起的，或者说是材料的弹性各向异性或塑性各向异性的反映。

这种残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响。

此外，绝大多数机件的疲劳破坏是从表面开始的。

由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50% 以上，这也是工程界越来越关注的产品失效问题。

下面就介绍几种表面残余应力的测定技术。

目前广泛应用的残余应力测试方法可分为两大类：物理方法和机械方法。

物理法有X 射线法、磁测法和超声波法等；机械法也称应力释放法如电侧（盲孔、切割、套孔及逐次去层）法及光弹贴片钻孔法。

此外, 近些年还出现了硬度测定法、压痕测定法、全息干涉法、错位散斑干涉法、脆性涂层法等。

一、测定法简单介绍X 射线测定法X 射线衍射技术来测定材料中的残余应力，其测定的基本原理是基于X 射线衍射理论。

当一束具有一定波长λ的X 射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X 射线强度极大值( 即所谓衍射峰) ，这便是X 射线衍射现象( 如下图) 。

X 射线的波长λ、衍射晶面间距d 和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律:2d sinθ= n λ( n = 1，2，3……)在已知X 射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d 建立确定的关系。

制這.材料表面残余应力对涂层硬质合金刀具磨损影响的研究现状!□朱新宇口冒航宇□张嘉x江苏大学机械工程学院江苏镇江212013摘要：涂层硬质合金刀具具有良好的抗机械和抗热载荷冲击性能，以及较低的摩擦因数，在常温及高温下耐磨损性能优异，广泛应用于难加工材料的精密、半精密加工。

对涂层硬质合金刀具进行表面处理后，刀具表面残余应力会发生演变，并会对刀具磨损产生影响。

介绍了针对以上问题的国内外研究现状，并对高性能涂层硬质合金刀具的未来发展进行了展望#关键词：涂层硬质合金刀具表面残余应力磨损影响中图分类号：TH117.1文献标志码：A文章编号：1000-4998(2020)05-0047-04Abstracr:The coated carbine tool has good capability to resist mechanical impact and thermdl load inipact,and has low faction factor.With excellent wear resistance at room temperature and high temperature$the coated carbide tool is w X—y used in pocision and semi—pocision machining of the dmicult—to—machine mateeals.After sumace treatment of the coated carbide tool,the residual stress on the tool sumace will evolveand feet the tool wear.The research status at home and abroad for the above issues were introduced,and the futuro development of the high—pemomance coated carbine tool was prospected.Keywordt:Coatd Cardine Tool Surfacc Residual Strest Wear Influencc1研究背景涂层刀具作为一种新兴刀具近年来发展迅速，尤其在工业发达国家，涂层刀具的应用占比达到80%以上。

金属材料表面缺陷及残余应力的无损检测研究摘要：新的时代不断的涌现出新的科技和工艺，引起人们的生产和生活的巨大改善。

新材料的出现预示着新工艺的产生，对新材料的各种物理表征的监测都引起了广大人们的重视。

传统的检测技术都会对材料进行损害，因此无损检测技术的出现，更为满足现代人的生产需求。

无损检测技术就是指在不破坏检测材料的基础上，对这些材料进行质量以及工艺性能、安全性能的检测。

关键词：激光超声；无损检测；金属材料；表面缺陷；残余应力一、金属材料表面缺陷和残余应力检测概述金属材料在加工过程中难免会出现材料变形，并且会在材料内部产生残余应力。

这部分残余应力会造成材料出现开裂以及变形的情况，与此同时也会严重影响到材料疲劳性能，这在一定程度上会影响到材料的工艺性能与强度，所以，检测金属材料残余应力一直以来都是学界研究的重点内容，同时也是金属质量以及工艺标准的重要保证。

伴随着科学技术以及工业水平的持续发展，金属材料残余应力无损检测手段也出现了多种类型，包括了电学法、X射线法、磁测法以及光学法等，可是相较而言，利用激光超声技术检测金属材料的表面波是成本最低，同时也是最为精确的一种检测手段。

通过激光与超声的有效结合，对声波渡越时间进行测量，从而探测残料表面缺陷以及残余应力。

二、扫描线光源缺陷检测机制研究超声表面波检测材料表面的缺陷已经在金属材料无损检测方面发挥了巨大的作用，但是这种检测方法一般都是分析反射信号的脉冲回波或者是信号衍射的渡越时间分析，具有一定的局限性。

利用利用激光源来激发超声波而不是利用压电换能器，这样就具备了非接触式检测法以及远距离激发超声波的优点，而且激发光源还可以自由的进行移动，奠定了对大面积的工件进行高效率无损害的检测的坚实基础。

在早期的研究中，仅仅是利用了表面波的透射、折射、反射等依据，并没有将激光声源的优势真正的发挥，然而提高激光声源的利用率是一个艰难的研究。

21世纪以后，激光源得到了充分的利用，高效率的实现了无损检测，这就是扫描激光源技术。

应力测试方法的现状及发展趋势工业生产中，应力与应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发生失效的主要原因之一。

承载结构件由于加工制造、焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变，尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度和形状精度等产生较大的影响。

如何对结构件进行应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域、快速有效的分析测定结构件重要部分的应力与应变分布实现对结构件的强度分析，同时评估结构件的使用状况和寿命实现早期诊断与监测，已成为亟需解决的问题，也是近年来力学研究的主要方向。

因此应力的测量及其状态评估一直是国内外研究的热点。

1 常用应力测试方法应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。

研究材料的应力分布及应力状态下材料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现的损坏或失效。

而对于有益的物性改变，加以合理的利用可以增强材料的机械性能，因此分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值，应力测试方法是实现这一价值的必要手段。

目前，常用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、超声法及纳米压痕法。

1.1 机械法● 1.1.1 小孔法小孔法于1934 年由德国学者J.Mather 提出[1]，并由Soete 发展完善，使其具有实用性[2]。

经过数十年的发展，美国材料试验协会（ASTM）于1981 年颁布了钻孔测量法残余应力标准（ASTM E837—1981），并于2008 年更新为ASTM E837—08[3]，将其确定为一种标准化的测试方法。

其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴好的三向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量材料应力释放前后的应变量，运用相应的应力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向。

根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法。

现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望摘要本文介绍了国内外有对压力容器残余应力分析研究的各种方法，分析了这些方法在实际应用中的优缺点，同时也展望了未来压力容器残余应力测试与评价的发展趋向。

关键词定量测试；残余应力；压力容器1 概述在焊接过程中，由于不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩而引起焊接残余应力和各类焊接变形的产生。

残余应力在材料加工和处理过程中都是难以避免的，是影响焊接结构使用性能和寿命的重要因素。

当焊缝和热影响区附近应力发生很大的变化时，这些部位容易产生裂紋，设备零部件发生损坏的主要原因通常是由残余应力导致的应力腐蚀和疲劳裂纹等缺陷。

因此，明确变化部位对判断和防止裂纹缺陷很有必要[1]。

2 研究的必要性每年压力容器失效造成的损失巨大，据统计美国达700 亿美元，日本高达25000 亿日元，中国也达到200 亿元。

全国现有在用压力容器233.59万台，锅炉60.73 万台，这些设备多数在高温、高压、低温、疲劳、腐蚀性介质下运行，安全寿命长的20 年以上，短的几年甚至几个月，主要由设备的原始缺陷和使用缺陷决定。

材料内部结构不连续性、焊接过程中过大的温度梯度造成了应力集中，在介质、温度和压力的共同作用下诱发裂纹、疲劳损伤和腐蚀开裂的产生，最终导致设备失效。

利用测试技术有效检测出材料由焊接产生的残余应力集中区，将极大程度的预防压力容器缺陷的产生并能对运行中的设备进行细微缺陷的监控，对设备的安全有效运行意义重大[2]。

3 现状分析对于压力容器的容许残余应力，现阶段还没有系统而规范的标准进行评价，因此压力容器残余应力的研究有待深入，且变得格外引人注目。

目前，国内外对压力容器残余应力的研究主要包括：3.1 对残余应力定量分析方法的研究对残余应力的测量方法主要分有损和微损两种，有损的分析方法如削磨面积法和小孔法，需要对检测对象进行破坏取样，在实际工程应用中受到很大限制。

微损的分析方法，包括X 射线衍射法、光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法。

应力表面改性处理技术在工程领域中的应用研究应力表面改性处理技术作为一种现代化的加工技术，在工程领域中得到广泛的应用。

此技术可以通过矫正材料表面的应力分布来提升材料的抗疲劳和耐蚀性能，从而延长材料的使用寿命。

本文将详细探讨应力表面改性处理技术在工程领域中的应用研究进展。

一、表面改性处理技术的基础理论表面改性处理是指通过改变材料表面状况，来改善材料的力学和化学性质的一种处理技术。

应力表面改性处理是现代表面改性处理技术中的一种重要分支。

其基础理论是由Bethe、Herring等学者提出的Belonogyi模型，该模型认为: 所有的材料内部都含有应力的分布，而这些应力的分布对材料的性能起着决定性的作用。

应力表面改性处理技术主要是以物理方法为主进行处理，采用强大的激光、电子束、等离子体、机械切削等技术通过改变瞬时的高温、高压、高速、高能物理环境，使得工件表面部分发生显著的相变、晶体畸变、塑性形变等现象，从而改变了材料的内应力分布，提升了材料的机械性能和耐磨性能。

二、应力表面改性处理技术的应用场景1、汽车工业汽车发动机细部零件中，由于长期高温和高振动的作用，往往会导致零件表面产生应力集中和疲劳。

而应力表面改性技术的出现，为零件克服表面疲劳提供了很好的解决方法。

从而大大提升了零件的机械性能，增强了汽车的耐久性。

2、航空航天航空航天工业作为最高技术含量的领域之一，对材料的疲劳以及抗腐蚀性能要求比较高。

在低温和较小负载下，材料内部的残余应力会导致零件的疲劳，使用应力表面改性技术可以使材料表面获得压缩残余应力，对于延缓材料疲劳有很好的效果。

3、模具制造模具制造工艺中，会出现大量金属制品的加工和制造，这些制品需要具有耐磨性、高耐久性等特点。

通过在材料表面上添加压缩残余应力，可以增强材料的抗疲劳和耐磨性能，从而具有更好的使用效果。

三、应力表面改性处理技术的发展优势1、降低工业生产成本应力表面改性技术的引入，对于降低工业生产成本有很明显的效果。

doi:10.11823∕j.issn.1674-5795.2021.02.06残余应力测试与校准方法研究现状与展望王辰辰(航空工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095)摘㊀要:简单介绍了残余应力产生的原因及其对材料性能的影响,分析了现阶段残余应力测试方法的基本原理㊁应用场合和优缺点等,尤其是对目前普遍使用的X射线衍射法㊁中子衍射法㊁纳米压痕法㊁钻孔法等残余应力测试方法进行了详细说明㊂针对残余应力准确测量需求,分析现阶段基于标样法和仪器性能校准的残余应力校准方法,并说明了校准对残余应力准确测量的重要意义,最后总结了残余应力测试与校准方法的发展方向㊂关键词:残余应力测量;无损检测;校准;X射线衍射中图分类号:TB931㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:1674-5795(2021)02-0056-08Review on Measurement and Metrology Methods of Residual StressWANG Chenchen(Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)Abstract:The generation of residual stress and its influence on the performance of materials are summarized.The basic principles,appli-cations,advantages and disadvantages of the current measurement methods of residual stress are analyzed,especially for the methods of X-ray diffraction,neutron diffraction,nanoindentation and hole-drilling.In response to the need for accurate measurement of residual stress,the cur-rent calibration method of residual stress based on sample and instrument function are given.The importance of calibration for accurate residual stress measurement is emphasized.The future development of measurement and calibration methods of residual stress are prospected.Key words:residual stress measurement;non-destructive test;calibration;X-ray diffraction0㊀引言构件在制造过程中会经历各种工艺,由于制造工艺产生的不均匀的机械形变㊁温度变化和相变等,往往使材料产生不均匀的塑性变形㊂去除外部作用后,由于残留的塑性变形对材料的作用,会在材料内部存在相应的弹性变形,以保持构件的平衡状态,并使材料内部产生应力,称为内应力㊂德国学者MacherauchE将内应力分为三类[1]:第一类内应力在材料的较大区域存在并且被认为是均匀的,与之相关的内力和内力矩在物体的各个截面上保持平衡,称这种内应力为宏观内应力;第二类内应力存在于材料的较小范围,在足够多的晶粒范围内,与之相关的内力和内力矩是平衡的;第三类内应力存在于材料的极小范围内㊂目前,工程上普遍将第一类内应力称为残余应力[2]㊂根据GB/T7704-2017‘无损检测X射线应力测定方法“中的描述,将残余应力定义为在没有外力或外力矩作用的条件下,构件或材料内部存在并使自身保持平衡的宏观应力[3]㊂就残余应力产生方法而言,是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均匀的弹塑性变形而引起的,或者说是材料的弹性各向异性和塑性各向异性的反映㊂机械构件一般都滞留有残余应力,在构件加工制造过程中,适当的残余应力可能成为构件强化的因素,而不适当的残余应力则可能导致构件的开裂㊁变形而失效㊂一般来说,在构件受拉时,构件内部的残余拉应力会降低构件强度,降低构件疲劳寿命,而残余压应力可提高构件疲劳寿命[4]㊂在构件使用或服役过程中,残余应力会影响构件的静强度㊁动强度㊁疲劳寿命㊁耐应力腐蚀能力㊁硬度等,不均衡分布的残余应力是构件变形和开裂的根源[5]㊂在工程应用中,残余应力的准确测试是对构件进行性能评估㊁寿命预测㊁失效分析的重要手段,事实上,在各工业领域如航空航天㊁汽车㊁高铁㊁石油冶金㊁核工业等,残余应力测试已经成为必须的检测和控制手段[8]㊂文章探讨残余应力测试和校准技术的进展与发展前景,根据残余应力测试时是否对被测件构成损伤,将残余应力测试方法分为无损测试和有损测试,并对目前已有残余应力测试方法的基本原理㊁优缺点等进行简要叙述㊂分析了针对不同残余应力测试方法的校准技术,并提出残余应力测试仪器校准时的思路㊂1㊀残余应力测试方法研究现状随着国内外对残余应力产生机理㊁材料属性等的研究以及工程和科学研究中的需要,目前,发展了很多中残余应力的测试方法[9],根据测试方法是否对被测件构成损伤,可将其分为无损测试方法和有损测试方法㊂1.1㊀残余应力无损检测技术残余应力无损检测方法又称为物理式残余应力测试方法[10],主要包括X射线衍射法㊁中子衍射法㊁磁测法㊁超声法和纳米压痕法等㊂其中,X射线衍射法㊁中子衍射法的理论相对完善,技术成熟度较高,但在实际测试中,仍存在一定的局限性㊂1.1.1㊀X射线衍射法在目前残余应力的各种无损测试方法中,X射线衍射法是最可靠和实用的㊂该方法理论比较成熟,经过80多年的发展,测试手段和方法完善,广泛应用于机械工程和材料科学领域[11-13]㊂关于X射线衍射法残余应力测定技术和方法,GB/T7704-2017‘无损检测X射线应力测定方法“中有明确的说明和规定㊂X射线衍射技术测定残余应力也是欧美国家认为最可靠的方式㊂欧盟制定并公布的X射线衍射法残余应力测定标准EN15305-2008 Non-destructive Testing-Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffrac-tion ,详细介绍了X射线衍射法测定残余应力的基本原理㊁测量仪器㊁材料特性及测量结果处理方法等[14-15]㊂上海材料研究所㊁上海理工大学㊁西安交通大学㊁爱斯特应力技术有限公司等国内多家研究单位㊁高校和企业都对X射线衍射法残余应力测试技术进行了研究,部分企业还开发相关测试产品㊂X射线衍射法残余应力测试的基础是:在材料内部存在残余应力时,材料会产生一定的应变,而该应变在微观尺度上表现为材料晶格间距的变化,X射线穿透金属晶格时会发射衍射,X射线衍射法是通过测量材料晶格间距的变化衡量残余应力的数值[16]㊂利用X射线衍射法测量残余应力的原理如图1所示,X射线源照射在材料表面一束波长为λ的射线,在2θ角位置接收到的X射线反射强度最大,最大位置一般称为衍射峰㊂图1㊀X射线衍射法残余应力测试原理图在材料内部有应力存在时,平行于应力方向的晶面之间的间距d会减小,则根据布拉格定律[17-18]为2d sinθ=nλ㊀(n=1,2,3 )(1)通过衍射角度θ和X射线波长可以计算材料晶面间距d㊂在材料内部存在应力时,晶面间距变化为d1,可得到材料的应变为ε=d1-dd(2)根据弹性力学理论,各向同性材料的应变可以由三个方向的应力表示,经过计算可以得到材料中的残余应力㊂X射线衍射技术不仅可以用于多种材料残余应力的测量[19-20]还能用于涂层和薄膜残余应力的测量[21]㊂但X射线残余应力检测仍存在:设备比较昂贵;因为X射线在金属中的穿透能力有限,只能检测表面残余应力;对被测材料表面要求较高等缺点㊂1.1.2㊀中子衍射法中子衍射法测量残余应力的工作在20世纪80年代已经开始[22-25],但因为设备昂贵且工程中应用较少,所以一直以来发展比较缓慢㊂近年来,中子衍射技术测量残余应力正越来越受到重视,尤其是在2000年以后,美国㊁英国㊁法国㊁德国㊁澳大利亚㊁俄罗斯等国都陆续建立了中子应力装置㊂与X射线衍射法类似,中子衍射法测量残余应力的基本原理也是基于材料晶格间距的变化,根据中子束波长和布拉格角,计算产生布拉格峰的晶格间距,通过晶格间距的改变量,计算材料因为应力产生的应变,进而利用弹性力学基本原理计算得到残余应力[27]㊂相比较于X射线衍射法,中子衍射法穿透力较强,可用于测量体积较大的固体材料内部的残余应力,利用中子衍射法测量三维残余应力分布㊂在复合材料应力检测和研究中,中子衍射法不会受到表面效应的影响而具有明显优势㊂但中子衍射应力测试设备建造和运行费用昂贵,中子流的流强较弱,在残余应力测量中,运行时间较长,且无法测量材料表面的残余应力[22]㊂1.1.3㊀超声波法超声波法残余应力测试技术已经广泛应用于飞机铝材㊁铁路钢轨㊁焊接板和压力容器等残余应力测试中[19,28],超声波法测量残余应力的基本原理是超声波声弹性效应,通过测定材料内超声波传播速度计算应力分布[30]㊂声弹性效应即施加在材料上的内应力的变化会改变超声波在材料中传播速度的变化,因此可以利用超声波的声弹常数于应力之间的特定关系实现材料残余应力的测试[31]㊂根据超声波类型,可以将超声波残余应力测试方法分为激光超声法㊁电磁超声法㊁纵波脉冲反射法㊁横波双折射法㊁斜入射SH 波法㊁表面波法和临界折射纵波法[32]㊂相关研究表明,沿着应力方向传播的超声纵波对应力最为敏感,如图2所示,临界折射纵波V11的波速相对变化量最大[33]㊂近年来,对于超声临界折射纵波法残余应力测试技术的研究越来越多[34-35],北京理工大学的徐春广教授㊁宋文涛博士等均对超声临界折射纵波残余应力测试方法进行了研究㊂图2㊀声速-应变关系图[33]超声波法残余应力测量深度与超声波发射功率有关,在理论上只要超声波发生功率足够大,可穿透任意厚度的构件,因此,在大型构件三维应力测试中应用广泛㊂超声波法相较于X 射线衍射法残余应力测量精度低,且超声波波形㊁超声波传播方向㊁材料组织和应力状态等都会影响超声波在材料中的传播速度,受耦合效果㊁材料组织均匀性㊁温度等影响较大,但该方法测试仪器简单便携,且超声波对人体健康相对安全,因此超声波法是一种比较有发展潜力的残余应力测试方法㊂1.1.4㊀磁测法磁测法残余应力检测技术[36-37]主要分为磁记忆法㊁磁噪声法㊁磁应变法和磁声发射法[10]㊂磁记忆法基于金属材料的自发磁化现象㊁磁机械效应㊁磁致伸缩和磁弹性效应进行残余应力的测试[38]㊂铁磁材料在载荷的作用下,发生上述物理现象,引起磁畴位移,导致金属磁特性不连续㊂在外部载荷去除后,金属磁特性仍会存在㊂金属在应力集中区域的表面会出现漏磁场,通过测量该磁场强度,便可以检测出应力集中的部位[39]㊂磁噪声法即巴克豪森磁噪声法,铁磁材料在磁化过程中产生的磁畴转动和磁畴壁位移[40],使材料内部产生非连续性的电磁脉冲,通过测量磁感应强度变化来获得材料内部电磁脉冲信号,即可测量出材料的残余应力[41]㊂磁应变法通过铁磁材料磁化现象的改变,计算材料应力状态㊂当材料内有残余应力时,会使材料磁畴移动和转向受阻,因此降低磁化率㊂通过应力与铁磁材料磁导率之间的关系,可以计算出材料的残余应力值㊂磁声发射法利用铁磁材料在磁致伸缩效应下,其体积变化产生的应变使材料产生弹性波,通过声发射仪器,测量弹性波的数值,进而计算出材料的残余应力值㊂磁声发射可以实现动态无损检测,且检测深度大,灵敏度高[42]㊂利用磁测法测量残余应力对环境要求较低,测量速度快,但只适合铁磁材料的检测,测试原理相较于X 射线衍射法㊁中子衍射法等相对模糊,且会出现磁污染等现象,因此,应用范围较小㊂1.1.5㊀纳米压痕法纳米压痕法[10]是一种涉及多学科的科学技术,是新兴的残余应力测试方法,也是公认最具发展潜力的方法之一[43]㊂纳米压痕法测量残余应力借鉴了硬度试验方法和盲孔法残余应力测量方法,是根据应力场干涉理论而形成的一种全新的残余应力测试方法[43]㊂纳米压痕技术在薄膜材料力学性能测试中,可以在不分离薄膜与基底材料的情况下,得到如弹性模量㊁硬度㊁屈服强度㊁加工硬化指数等材料性能参数[44-46]㊂纳米压痕理论主要基于:Suresh 理论模型[47]㊁Lee理论模型[48]㊁Swadener 理论[49]和Xu 模型[50]㊂可以用于等双轴残余应力和非等双轴平面应力的计算㊂研究表明,利用不同的理论模型计算得到的残余应力之间存在差异[51],说明相关理论模型与实际材料压痕之间存在很多因素的影响,目前只能在一定的条件下适用㊂纳米压痕法测量残余应力作为一种新兴残余应力测试方法,相关理论还不成熟,在测试方法㊁计算方法㊁面积函数㊁影响因素等方面仍待深入的研究㊂但因其适用性强,且可以进行微区测试,随着理论的完善和有限元技术的发展,纳米压痕法将成为残余应力测试的重要手段之一㊂1.2㊀残余应力有损检测技术残余应力有损检测方法也称为机械法,主要原理是通过破坏材料,实现应力的释放,通过测量应力释放过程材料产生的位移或应变,计算得到材料原有的应力㊂常用的有损检测残余应力方法有钻孔法㊁切槽法㊁剥层法等㊂1.2.1㊀钻孔法钻孔法属于部分破坏的残余应力测试方法,是目前工程上最常用的残余应力测试方法[10]㊂ASTM协会已经将其列入了标准E837-81,确定了使用钻孔应变测量确定残余应力的标准方法㊂2014年,我国颁布了GB/T31310-2014‘金属材料残余应力测定钻孔应变法“标准[52],对钻孔法残余应力测试方法进行了规范㊂钻孔法测定残余应力主要原理是在材料上钻孔使残余应力松弛,利用应变片测量应力松弛引起的应变,进而计算出残余应力㊂钻孔法可以根据是否将孔钻通分为盲孔法和通孔法,两者测量原理相同,但应变释放系数计算方法不同㊂通孔法应变释放系数可以通过Kirsch理论解直接计算出,盲孔法则需用实验标定[10]㊂盲孔法对材料的损伤程度要低于通孔法[53]㊂利用钻孔法测试残余应力的精度受多方面因素影响,如钻孔直径㊁深度㊁速度㊁应变片粘贴位置㊁应变片尺寸等㊂因此,在使用钻孔法测量残余应力时,务必按照国标中规定的程序和方法进行㊂1.2.2㊀切槽法切槽法残余应力测试方法也是一种半破坏的应力释放法[10]㊂切槽法的基本原理是在材料上切槽形成残余应力释放区,利用应变片或应变花测量应力释放产生的应变,求出切槽部位的残余应力㊂对于单向应力状态,使用切槽法测试残余应力时,将应变片粘贴在测点位置,在测点周围切割出两条直线形细槽,如图3所示,则可以通过应变片的变化,计算出测点位置的残余应力㊂图3㊀单向应力状态下切槽法残余应力测量[10]对于双向应力状态,一般需要在测点位置粘贴应变花的方式测量,切槽可以选择直线形细槽或环形细槽,如图4所示㊂图4㊀双向应力状态下切槽法残余应力测量[10]切槽法残余应力测试操作比较简单,应变数据测量方便,对结构的损伤相对于剥层法较小,但其对结构的损伤仍会降低材料的力学性能㊂现阶段没有关于切槽法的国际标准㊁国家标准和行业标准,因此,详细的操作和注意事项没有明确的规定,不同操作人员得到的结果可能会有所不同㊂1.2.3㊀剥层法剥层法测量残余应力是一种发展时间较早的方法,剥层法可以得到构件深度方向的残余应力分布,因此可以用来测量三维残余应力㊂剥层法的基本原理通过逐层去除材料,使残余应力释放,残余应力的释放引起材料应变,利用应变片测量应变即可得到剩余部分的残余应力值㊂剥层法一般使用机械切削或电化学腐蚀等方法将材料逐层去除,使用机械切削的方法剥层时,会引进应力,不同的机械切削方法引入的应力类型和大小不同㊂剥层法可以用于各向异性材料残余应力的测量,主要用于测量材料厚度方向的残余应力,但随着测量厚度的增大,对构件的损伤会越来越大㊂表1列出了残余应力主要测试方法及其优缺点㊁应用场合等㊂表1㊀残余应力测试方法及优缺点分类测试方法优势劣势无损检测法X射线衍射法理论成熟㊁精度高㊁使用广泛设备昂贵㊁检测深度浅㊁有一定的辐射中子衍射法可检测三维应力㊁空间分辨力高设备建造和运行费用昂贵㊁运行时间长㊁无法检测表面残余应力超声波法安全㊁可检测表面和内部残余应力㊁便携㊁成本低受耦合效果㊁材料组织影响较大磁测法可动态检测㊁检测深度大㊁灵敏度高只可用于铁磁材料㊁原理不清晰㊁会产生磁污染纳米压痕法适用性强㊁可进行微区检测理论不成熟有损检测法钻孔法精度高㊁理论成熟㊁应用广泛影响因素较多㊁需要标定㊁有损切槽法操作简单㊁数据测量方便㊁损伤较小没有详细的操作和注意事项剥层法可以测量厚度方向的应力损伤较大2㊀残余应力校准方法研究现状合理的校准方法是保证测试结果准确可靠的关键技术手段㊂相对于残余应力测试方法,对相应校准方法的研究较少㊂针对不同测试技术相应的校准方法也有所不同,但目前,大部分都是通过各种方法制作标样[3,54-59],实现残余应力测量仪器的校准㊂在X射线衍射法㊁中子衍射法的校准中,也涉及了部分仪器的校准要求和方法㊂2.1㊀标样类校准方法[3,54-59]标样类校准方法即通过制备定值残余应力的标样或试块,使用残余应力测试仪器测量标样的残余应力值,通过比较仪器测量值与标样设计值,完成残余应力的校准㊂标样法校准的关键的问题为标样的制备和定值㊂关于标样的制备,现有的方法基本原理均为通过不同方式在某种形状和尺寸的构件上进行加载,利用理论力学和材料力学原理,计算加载构件中的应力作为标样的标准值㊂GB/T7704-2017附录D中提出使用等强度梁法通过实验测定X射线弹性常数和应力常数㊂等强度梁结构如图5所示,在梁的各横截面上的最大正应力均相等㊂根据梁的尺寸㊁加载砝码质量㊁当地重力加速度可计算出梁的横截面的应力值,将该应力值作为标准值,对X射线衍射法残余应力测试仪进行校准㊂图5㊀等强度梁加载示意图另外一种普遍使用的试块制备方法是通过标准拉压试验机对一定尺寸的试块加载,通过计算试块垂直于加载方向的截面积和标准拉压试验机加载力值,得到试块应力值,对X射线衍射法㊁超声波法㊁钻孔法等残余应力测试方法进行校准㊂除此之外,通过螺栓预紧力㊁装配挤压㊁C形环[34,58]等方式的标样制备方法也被应用于残余应力的校准㊂上述所有通过制作标样的方式,均是使用不同的加载方式对试块进行加载,计算加载力在试块中的应力值㊂但试块自身的初始应力值即使经过调控也不可能完全消失,这就导致试块最终的应力值与施加的应力值之间存在偏差,使校准结果产生偏差㊂对于同一图6㊀C形环校准方法示意图[34]个试块,在使用同种方法制作标样时,应力的变化量与施加的力值变化量之间具有相关性,在材料弹性变形范围内,可以认为两者的变化量为线性变化,进而可以实现残余应力测试设备相对量的校准㊂2.2㊀残余应力测试仪器的校准不同的残余应力测试方法对应的测试仪器不同,相应的校准方法也不同,国际和国内相关标准中对X 射线衍射法残余应力测量仪器性能校准提出了要求㊂在欧洲标准EN15305-2008和EN13925-3[60]中规定了X射线衍射设备和测角仪性能的校准方法,通过获得角度偏差曲线㊁宽度曲线㊁幅值强度曲线㊁形状分析曲线等完成X射线衍射设备的校准㊂对于残余应力测试仪器性能的直接校准,相关研究非常少㊂除上述对X射线衍射设备的校准外,中国原子能科学研究院对中子残余应力谱仪的校准开展了研究[61],但整体对于仪器本身的校准仍然很少㊂仪器性能直接关系到对测量结果的评估,是实现残余应力准确测量非常重要的环节,在后续研究中,应注重对残余应力测试仪器性能的校准㊂3㊀总结与展望经过分析,残余应力无损测试技术不会对构件造成损伤,也不会改变材料的力学性能,相对于有损测试具有明显的优势,但每种残余应力无损测试方法都存在其局限性㊂其中X射线衍射法测量残余应力是目前残余应力无损测试方法中理论相对成熟㊁操作也相对简单的方法,但在实际工程应用中的测试结果往往与预期结果之间差别较大;纳米压痕方法,物理背景清晰㊁理论成熟㊁测试结果与有损检测中的钻孔法结果比较接近,是残余应力测试技术发展中一个值得关注的方向㊂有损测试方法相对于无损测试方法发展更加成熟,测试设备和仪器价格便宜㊁操作简单,钻孔法是最成熟㊁最简便㊁测量结果最准确的残余应力测试方法之一,但为了保证测量结果的准确,必须严格按照规定步骤操作㊂现阶段,对于残余应力的校准方法的研究明显不足,而校准是保证残余应力测试结果准确可靠的必要手段,也有助于残余应力测试技术进步和测试理论的完善㊂目前,标准残余应力标样(试块)的制备方法均无法保证试块绝对应力值的准确,也就直接导致使用标样(试块)对残余应力测试仪器校准存在很大的误差,且单纯的依靠制备标样无法完全解决残余应力校准的问题㊂应当从测试方法㊁测试仪器本身性能出发,探索仪器的校准方法和测量方法的验证技术,将残余应力溯源至国际基本量,再结合材料检验的特性,完善测试方法,最终保证残余应力测试结果的准确性㊂参考文献[1]张定栓,何家文.材料中残余应力的X射线衍射分析和作用[M].西安:西安交通大学出版社,1999:3-6. [2]刘佳,王威强,张泰瑞,等.残余应力测试及压入试验模拟研究进展[J].化工机械,2020(4):420-425. [3]国家质量监督检验检疫总局.GB/T7704-2017无损检测X射线应力测定方法[S].北京:中国标准出版社,2017. [4]巴发海,刘宇希.残余应力的产生及其对构件性能的影响[J].无损检测,2020,42(9):1-5.[5]徐春广,李培禄.无应力制造技术[J].机械工程学报, 2020,56(8):113-132.[6]Withers P J,Bhadeshia H.Residual stress Part II-nature and origins[J].Materials Science and Technology,2001,17(4): 366-375.[7]Schijve,Jaap.Fatigue of Structures and Materials[M].Springer Netherlands,2009.[8]王庆明,孙渊.残余应力测试技术的进展与动向[J]. 2011,28(1):11-15.[9]Steinzig M,Takahashi T.Residual Stress Measurement Using the Hole Drilling Method and Laser Speckle Interferometry-IV: Measurement Accuracy[J].Experimental Techniques,2003, 27(6):59-63.㊀[10]高玉魁.残余应力基础理论及应用[M].上海:上海科学技术出版社,2019.[11]郑卜祥,宋永,席峰.对接焊铝合金板材残余应力的X射线测试[J].机械工程学报,2009,45(3):275-280. [12]周上祺.X射线衍射分析[M].重庆:重庆大学出版社,1991.[13]耿红霞,王连红,李航飞.X射线衍射技术测量残余应力在研究生实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,。

超声检测表面残余应力的研究与发展[摘要] 金属表面与内部残余应力的存在对构件的力学性能有重大影响。

介绍了超声检测残余应力的研究现状和应用领域，从分析超声检测残余应力的原理、方法和特点着手，为开发能满足现场使用要求的检测系统，对几个关键技术进行了重点分析，并指出超声检测残余应力的发展方向和广阔的应用前景，为开展进一步研究提供借鉴与指导。

[关键词] 超声波；检测；残余应力0 引言金属表面残余应力是在构件不论是否承受外加载荷的状态下，仍以平衡状态存在于构件的应力。

当此应力平衡被破坏时，构件会产生宏观的尺寸变化。

残余应力的存在对材料的力学性能有重大影响，在焊接构件的制造和热处理过程中尤为明显。

存在残余应力，一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造完成后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。

在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及高温蠕变开裂的能力都将大大下降，从而造成使用中的问题，许多灾难性事故常常由此引发。

因此，金属构件表面残余应力的检测对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果以及废品分析等均具有非常重要的意义。

1 超声检测残余应力的特点超声波法是利用材料的声弹效应(即施加在材料上的内应力变化引起超声波传播速度的变化，其大小取决于超声波的波型、传播方向、材料组织和应力状况等)，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分布。

与其它一些方法相比，具有下列特点：1)超声波的方向性较好，具有光波一样良好的方向性，可以实行定向发射。

2)对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。

在一些金属材料中，其穿透能力可达数米，故能无损测定实际构件表面和内部(包括载荷作用应力和残余应力)的应力分布。

3)采用新型电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害。

4)超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，如果配上相应的换能器(探头)，还可用来探伤或测定弹性模量，可一机多用。

残余应力测量研究现状综述本文综述了残余应力测量的研究现状，包括基本原理、技术手段、应用领域、发展趋势和不足等方面。

通过对所搜集的文献资料进行归纳、整理和分析比较，总结了前人研究的主要成果和不足，并指出了研究的空白和需要进一步探讨的问题。

同时，本文也提出了自己的优点和不足，并展望了未来研究的方向和前景。

残余应力是指材料在加工、处理或使用过程中，由于受到外部载荷、温度变化、化学腐蚀等因素的影响而产生的内在应力。

残余应力的存在会对材料的力学性能、疲劳寿命、抗腐蚀性能等方面产生重要影响，因此对其进行准确测量和有效控制具有重要意义。

本文旨在综述残余应力测量的研究现状，并分析其发展趋势和不足，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。

残余应力测量的基本原理是依据材料的弹性力学性质，通过测量材料表面的应变来推算内部的残余应力。

常用的残余应力测量方法有：X 射线衍射法、超声波法、电磁测量法、压痕法等。

其中，X射线衍射法具有较高的测量精度和广泛的应用范围，被视为残余应力测量的金标准。

残余应力的测量需要借助一定的技术和设备，如X射线衍射仪、超声波测试仪、电磁测量仪等。

实验流程一般包括以下几个步骤：样品制备、表面处理、测量点的选择和标识、仪器设备的调试和校准、数据采集和处理、结果分析和报告编写等。

残余应力测量在众多领域都有广泛的应用，如机械制造、航空航天、土木工程、生物医学等。

例如，在机械制造领域，通过对发动机缸体、曲轴等关键部件的残余应力测量，可以有效地预测其在使用过程中的应力释放和疲劳裂纹扩展情况，为产品的设计和优化提供依据。

在生物医学领域，对骨骼、牙齿等生物材料的残余应力测量可以帮助理解生物组织的生长和修复机制，为临床治疗和预防提供指导。

随着科学技术的发展，残余应力测量在理论和方法上都在不断进步和完善。

发展趋势主要体现在以下几个方面：多元化测量技术的开发和应用，如多物理场耦合测量技术、光学测量技术等；智能化和自动化测量系统的研究和开发，如基于机器视觉的自动化测量系统；测量精度和可靠性的提高，如采用更先进的算法和设备，优化实验流程等。

收稿日期:20000417作者简介:田欣利(1956-),男,教授田欣利文章编号:1003-8728(2001)05-0730-02陶瓷磨削表面残余应力测试方法的研究田欣利1,于爱兵2,林　彬2(1装甲兵工程学院,北京　100072;2天津大学,天津　300072)摘　要:用研磨抛光法与连续腐蚀法测试陶瓷磨削表面残余应力,与X 射线衍射法相比较,具有经济、简便、测试精度高的优点。

在避免了应变信号的不稳定性与附加应力的条件下,对于非金属氧化物陶瓷来说,这两种方法完全可以取代X 射射线衍射法。

关　键　词:工程陶瓷;磨削残余应力;测试方法中图分类号:T H117 文献标识码:A随着结构陶瓷产业化的迅速发展,对陶瓷零件的加工质量要求愈来愈高。

经磨削加工陶瓷表面出现裂纹是影响陶瓷加工质量的主要问题,而磨削表面残余应力是产生裂纹的重要原因。

目前,世界上一些发达国家如德国、英国、日本等已致力于陶瓷磨削残余应力的研究。

陶瓷磨削残余应力的测试是研究中的难点问题,这是由陶瓷这种硬脆性材料的特性决定的,本文对此问题进行了研究。

目前测试残余应力的方法一般采用X 射线衍射法,此方法耗费时间长、价格昂贵,特别是由于X 射线具有一定的透射深度,其测试结果反映的是表层某一深度内的平均值,而且测试时受材料入射晶面的限制。

本文尝试采用应变法测试残余应力,以克服X 射线衍射法的弊端。

应变测试法是通过测试试件的应变求出残余应力的方法,其方法为:将应变片粘接在薄板试件磨削平面的背面,对已磨削平面进行剥层,使表层残余应力释放引起试件产生应变,此应变经应变片接收由应变仪放大进行测量,再根据弹性理论求出残余应力。

对陶瓷试件表面进行剥层是此项研究的关键,即要剥层均匀又不产生附加应力,试验分别采用腐蚀方法和研磨抛光法对试件进行剥层。

1　腐蚀剥层法这种方法的最大优点是剥层连续均匀没有附加应力,但对陶瓷材料来说其优异的耐腐蚀性能是众所周知的,要对其进行腐蚀剥层首先要确定合适的腐蚀介质,而目前关于此问题的研究文献极少。

一、实验目的本实验旨在通过残余应力测试，了解材料在制造过程中的残余应力分布情况，为优化加工工艺、提高产品质量提供依据。

通过本次实验，我们希望能够掌握以下内容：1. 残余应力的概念及其对材料性能的影响。

2. 残余应力测试方法及原理。

3. 残余应力测试设备的使用与操作。

4. 残余应力测试数据的处理与分析。

二、实验原理残余应力是指材料在加工过程中由于各种因素（如热处理、机械加工等）引起的内应力，在加工完成后仍然存在。

残余应力对材料的性能、使用寿命和可靠性具有重要影响。

因此，对残余应力进行测试和分析，对于优化加工工艺、提高产品质量具有重要意义。

残余应力测试方法主要有机械检测法和无损检测法。

本实验采用机械检测法中的盲孔法进行残余应力测试。

三、实验材料与设备1. 实验材料：20CrMnMo钢棒。

2. 实验设备：应变花、应变片、INV3062T智能信号采集仪、INV1861A应变调理仪、DASP-V10工程版数据采集和信号处理软件、导线及工具。

四、实验步骤1. 将20CrMnMo钢棒加工成所需形状和尺寸。

2. 在钢棒上选择测试部位，用砂纸打磨去除氧化层，并清洗干净。

3. 将应变花粘贴在测试部位，用导线连接应变片和信号采集仪。

4. 启动信号采集仪，进行初始平衡，记录应变片初始应变值。

5. 使用专用刀具在应变花中心位置钻孔，形成盲孔，释放残余应力。

6. 等待残余应力释放完全后，停止采样，记录应变片应变值。

7. 使用DASP-V10工程版数据采集和信号处理软件对测试数据进行处理和分析。

五、实验结果与分析1. 残余应力分布情况：通过实验，我们得到了钢棒测试部位的残余应力分布情况。

结果表明，钢棒内部存在一定的残余应力，且分布不均匀。

在加工过程中，由于热处理和机械加工等因素的影响，钢棒内部产生了一定的拉应力和压应力。

2. 残余应力对材料性能的影响：残余应力对材料的性能具有重要影响。

在材料的使用过程中，残余应力可能导致以下问题：（1）降低材料的疲劳性能：残余应力会加速裂纹的产生和扩展，降低材料的疲劳性能。