残余应力测试方法的应用

一、残余应力简介

固体材料在生产制造和工作过程中，不可避免的会受到各种加工工艺和服役环境的作用，这些过程中都会产生残余应力。残余应力是指在构件加工或成形过程中，由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在形变后的变形体内保留下来的应力，是材料的固有属性。

按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：

（1）第一类内应力是宏观残余应力，这类应力是由工件的宏观变形不均匀而引起的，严重影响了工件的尺寸稳定性和使用安全性。

（2）第二类内应力是微观残余应力，这类应力是由材料的晶粒或亚晶粒之间的不均匀性变形引起的，残余应力过大会产生局部的微裂纹，并逐渐向大裂纹扩展。

（3）第三类内应力是点阵畸变，这类残余应力是工件在发生塑性变形时，形成的大量点阵缺陷引起的。

通常工程上所说的残余应力指的是第一类宏观残余应力。

残余应力的存在不仅会降低工件静强度和疲劳强度，使其在制造和使用时产生变形和开裂等工艺缺陷，而且在制造后的自然释放过程中使材料的抗腐蚀能力受到影响。

二、残余应力检测方法概述

残余应力的存在大多具有危害性，因此残余应力的检测经过多年的发展，如今已形成无损、微损伤和有损伤等三类检测方法，如表1所示。其中，有损伤与微损伤检测法又可称为机械检测法。无损检测法又可称为物理检测法，包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法、磁性法和涡流法，这些方法通常是测量一些与应力有关的物理参数。

表1

由于有损伤和微损伤检测法都或多或少的造成被测件损伤，这些损伤对于服役状态下的工件或成品零部件都是致命的。因此，机械检测法不能有效反映成品零部件的残余应力状态，更不能实时检测或监测服役状态下的工件残余应力或载荷应力。

残余应力无损检测方法具有先天优势，它在不损害和不影响被测件使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在残余应力，给出残余应力的大小、方向和位置等信息。

射线（X/中子）衍射检测残余应力方法的测量精度很高（高达±5MPa），检测的是微观残余应力，国内外已建立相关标准且在广泛使用，但是其检测区域仅限于材料表面和亚表面的晶格结构，检测时要求对材料表面要化学清洗致裸露出晶体，检测结果的准确性受晶粒尺寸、表面粗糙度和表面曲率等因素影响，也受到仪器设备体积重量制约和操作复杂性的限制，不适于现场检测应用。

巴克豪森效应检测残余应力检测的是铁磁性材料中存在的宏观残余应力，这种方法只适用于铁磁材料，检测精度受材料显微结构的影响较大，还受位移间隙、表面粗糙度、材料剩磁和环境磁场等因素的影响，目前定量校准和残余应力量化检测困难，实际现场应用也受到一定限制。

由于上述各残余应力检测方法都存在一定的局限性，因此利用超声波检测残余应力就进入了国内外各个学者的研究课题之中。

三、残余应力超声检测技术简介

超声波检测材料残余应力是利用超声波在含有残余应力的材料中传播时，传播速度、频率、振幅、相位和能量等参量会发生变化，具体参量变化如下:

①     声速与应力的关系，即声弹性效应，是通过测量超声在有应力工件内声速的变化来反映出应力大小；

②    超声非线性系数与应力的关系，应力与由应力导致的非线性超声高次谐波系数呈一定关系；

③    角度的测量，纵波斜入射产生表面波的入射角与残余应力有线性关系；

④    声衰减；

⑤    声束相互作用；

⑥    频谱测定，横波受应力作用分解为快慢两束横波，两横波传播时相互干

涉，通过测量两横波的合成回波的功率谱来表征残余应力分布。

目前，上述方法③～⑥由于所需机械装置复杂、检测精度差而逐渐不被研究，方法①通过声弹性效应研究应力的检测成为最主要和实用的途径。相比其它残余应力无损检测方法，超声波法具有检测速度快、人体无辐射伤害、成本低、拥有较佳的空间分辨率和较大范围的检测深度、可实现现场手持便于携带、能够完成表面及次表面宏观残余应力大小与拉压状态的检测等诸多优势。目前该技术已经广泛应用于军工、航空航天、压力容器、石油、水电、高铁等领域，已经完成了杭州G20会议钢结构、北京首都新机场钢结构、水力发电机组转轮等大型项目的测试。

图1： 管道焊接超声残余应力检测现场图

                                                      图2：车体焊接超声残余应力检测

五、结语

机械构件在冷、热加工过程中都会不同程度地产生残余应力，残余应力的存在对构件的静态强度、疲劳强度、结构变形和使用寿命等方面有着重大的影响，因此，在构件的结构设计、制造工艺和服役过程中必须予以充分重视；利用先进的残余应力超声检测技术检测构件、设备在制造和使用过程中的残余应力值，为下一步消除应力、调控残余应力提供依据和检测手段，对于保障构件和设备生产制造、安全使用、延长寿命等方面都有极其重要的理论和现实意义。