金属材料残余应力的测试方法——无损法上一次小编为大家介绍了残余应力测试方

上一次小编为大家介绍了残余应力测试方法中的机械释放法，今天，小编将带大家一起去了解残余应力测定方法中的那些无损法。

压痕应变法1

定义

压痕应变法是一种利用球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法。

特点

无损、操作简单、适用范围广、精度高等。

缺点

只能用于平面应力的测定，对测量数据的处理比较复杂。

如何测定残余应力

在平面应力场中，由球形压痕产生的材料流变会引起受力材料的松弛变形。压应力场中的材料会延伸，拉应力场中的材料会压缩。同时压痕自身也会受到残余应力场的影响发生变形，这两种变形的叠加称之为叠加应变增量，简称为应变增量。

研究表明，一定尺寸的球形压痕在残余应力场中产生的应变增量
可用残余应力产生的残余应变
的多项式表示，

即：

式中：B为无残余应力条件下的应变增量。A1、A2、A3为压痕应变法应力标定参数。

在标定常数已知的情况下可以通过应变增量
求得残余应力。关于压痕应变的国内相关标准有GB/T 24179-2009《金属材料残余应力测定压痕应变法》。标准中指出，可以将应变增量与弹性应变之间的关系简化为分段线性关系以有利于数据处理。

超声法1

应用

由于超声波的方向性好、穿透能力强、可以沿试样表面传播，因此可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力，环形件残余应力测定也十分适用，故而，在焊缝、齿轮、螺栓、钢轨等方面有着重要的实际应用。

优点

便携，方便与现场在线测试。

使用注意

超声波速度受材料各向异性、环境温度、探头与构件之间声耦合较大，因此超声法在测定应力时需做标定试验。

超声法主要应用于大范围体积内残余应力的测量，无法获得局部残余应力的大小与状态分布。

分类

根据原理不同，超声法测定残余应力又可分为六种：临界折射纵波法、反射纵波法、声双折射法、表面波法、电磁超声法、激光超声法。其中较为成熟的是临界折射纵波法。

国家标准

超声法的相关国家标准有GB/T 32073-2015 《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》。

X射线衍射法1

发展

X射线法是由俄国学者于1929年提出，经过多年发展，理论与实际测定方法都较为成熟，是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法。

简介

在X射线应力测定中建立如图1所示的坐标系统。图中OS1S2S3为试样坐标系统，OS?为待应力方向。OL1L2L3为实验室坐标系统。

图1 残余应力测量坐标系示意图

标准

依据X射线衍射法的原理，欧盟、美国材料协会等组织机构都制定了相关标准，例如ASTM E2860-2012 Standard Test Method for Residual Stress Measurement by X-ray Diffraction for Bearing Steels，EN 15305-2008 Non-destrutive Testing-Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction，ASTM E1426-2014 Standard Test Method for Determining the X-ray Elastic Constants for Use in the Measurement of Residual Stress Using X-ray Diffraction Techniques 等。

基于此，我国现行标准GB/T 7704-2008显然不够完善，在测定原理、方法、仪器选择和数据处理等多方面都存在有待改进的地方。在新修订标准GB/T 7704-20xx中，主要参考欧盟最新标准EN 15305-2008以及其他相关文献，对GB/T 7704-2008进行了较大的修改与完善。在保证与国际标准一致的前提下，使之更适合我国试验室现状。

目前新版GB/T 7704-20xx新标准已经修订完毕，最新修订的GB/T 7704中增加了大量术语和定义（三维应力、设备、方法相关），使得过去一些含糊不清的描述表达变得规范化。为了使标准的应用更为广泛，新国标中增加了三维残余应力的理论计算方法以及具体测定流程。

根据衍射装置的几何布置不同，GB/T 7704-20xx新标准中将应力测定方法分为7类，分别是：同倾固定ψ0法（ω法）、同倾固定ψ法（θ-2θ扫描法）、侧倾法（χ法）、双线阵探测器ω法、双线阵探测器侧倾法（修正χ法）、侧倾固定ψ法（θ-θ扫描ψ法）、粗晶材料摆动法。不同方法的衍射仪的原理和结构如图2-图6所示。

摆动法是在前面方法的基础上使X射线管和探测器在ψ平面内左右回摆一定的角度来增加材料中参加衍射的晶粒数的一种方法，主要应用于解决粗晶材料的应力测定问题。

图2 同倾固定ψ0法（ω法）

图3 同倾固定ψ法（θ-2θ扫描法）

图4 侧倾法（χ法）

图5 双线阵探测器侧倾法（修正χ法）

图6 侧倾固定ψ法（θ-θ扫描ψ法）

cosα方法是一种新的X射线测定残余应力的方法，α指德拜环上的任一角度。当材料中存在残余应力时，德拜环半径会发生变化，如7所示。在cosα方法中，德拜环通过面探测器进行接收，因此待测平面上α=0~360°上的应变
可以快速的测定出来。

图7 cosα方法测定残余应力示意图

与
方法相比，cosα方法是基于德拜环的分布来计算残余应力，因而具有诸多优点。基于德拜环的方法可以获得X射线在给定入射角的全部衍射德拜环，即提高了测定速率，又摆脱了测角仪的束缚，扩大了传统X射线法测定残余应力的应用范围，在整个德拜环上可以采集多个数据点，进行数据拟合时误差更小，测定数据可靠性更好。cosα方法适用于现场复杂场景下的残余应力测定，是最具有发展潜力的一种测试方法。cosα方法存在的问题是检测设备刚推向市场，没有普及，缺乏相关标准和验证。

同步辐射法、中子衍射法

中子衍射法测定残余应力的原理与X射线法的一致，不同的是，中子的穿透能力更强，对于大多数工程材料而言可以达到厘米级别，因此中子衍射法可以测得试样内部更深处的应力分布。

但是中子源的建造以及运行费用昂贵，无法进行现场实时测定，因此中子衍射法目前主要应用于工程和基础科学研究，相关的测试标准有：ISO/TS 21432：2005 Non-destructive Testing-Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Neutron Diffraction以及等同采用的国标GB/T 26140-2010《无损检测测量残余应力的中子衍射方法》。

问题与展望

残余应力对于工件质量、寿命有着重要影响，其测定理论与方法也多种多样。

随着技术条件的进步，残余应力的测定也变得越发简单、精确，例如从位敏探测器升级到线阵探测器，结合机器人可以灵活地对不同的测试位置进行测定，测定的效率从数十分钟缩减到数十秒钟，实现了测定效率的极大提高。

但是，不同的残余应力测定方法的适用范围有着较大的差距，因此需要根据相关技术要求来选择，如精度、范围、试样破坏性以及现场条件等。

根据目前残余应力测定的标准以及技术手段来推断，未来无损法测定残余应力的发展空间更大。为了使残余应力测定更好地满足逐渐提高的精度需求和日益复杂的工况环境,更好地服务于相关制造业的发展，如下5个问题应当重点关注。

（1）X射线法测定残余应力中，采用面探测仪的cosα方法在固定ψ0下单次曝光即可得到衍射角的变化，从而计算出待测残余应力，其测定速度更高，数据可靠性高，应用范围更广泛，应大力推动其设备制造以及相关标准制定。

（2）各种设备（理论）测定结果存在一致性问题。在实验室能力验证活动中，由于缺少相关权威认证机构认可的标准样品，理论实验方案尤其是三维残余应力测定的验证工作开展缓慢，实验室认可活动也存在较大困难。

（3）不同设备的适用范围差异巨大，有些是原子体积量级，有些是立方毫米量级，有些是立方米量级，测试结果之间不具有可比性。

（4）缺少政府认可的检定校准机构，试验室无法有效实施认证认可。

（5）标准样品尚没有公认的严格意义上的标准物质，试验室间缺少比对数据，只能进行试验室间数值比对。

结束语

随着平面探测器的发展，cosα方法成为一种新型的测定残余应力的方法，其具有便携高效的特点，具有广阔的应用前景。通过对不同残余应力测定方法和原理的介绍及对残余应力测定方法的展望，给广大科技工作者选择残余应力测定方法提供一定的参考，以期推动我国残余应力测定行业更进一步的发展。

选自：《理化检验-物理分册》 Vol.53 2017.11

作者：巴发海，教授级高工，上海材料研究所