殘余應力檢測在航空航天領域的應用
發布時間：2021/06/02
航天航空領域的特殊性，要求整個行業開發出更加堅固、質量更輕的航空材料，同時延長部件的使用壽命，以降低相關的經濟成本。但是，新技術和新材料的運用必須得到實踐的認可，在使用之前需要得到準確的驗證。
在航空部件生產及交付使用過程中，殘余應力作為一個重要標準，越來越受到重視。事實已經證明，對殘余應力進行標準化檢測，可以為航空航天界使用的材料設計和加工提供有力的指導。
殘余應力在航空領域的影響不容小覷
殘余應力是一種消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內的自相平衡的內應力，它可能存在于工件制造加工中的每個環節。
航空制造業尤其要特別重視殘余應力，這是因為其在材料、結構和工藝等方面具有鮮明的行業特征。
材料方面，除各種鋼、鋁合金等傳統材料仍占有一定比列外，鈦合金、高溫合金等高性能、難加工材料所占比例逐漸增大;
結構方面，由于高性能、輕量化和高可靠性的設計要求，采用整體結構和復雜型面結構的零件比例大大增加，因此零件幾何尺寸大、型面復雜、工藝特征多、壁厚小;
同時，金屬材料毛坯仍由鑄造、鍛造、預拉伸、軋制等多種工藝制成，毛坯的初始殘余應力大，切削加工過程中呈現出加工精度要求高、切削加工過程材料去除量大、加工變形控制難度大等特點;
此外，油箱與液壓系統的應力腐蝕問題，結構件的疲勞壽命問題等直接影響著飛行器的使用安全。
因此，殘余應力已經成為影響加工質量、變形控制、加工效率與飛行器安全的重要因素。
殘余應力檢測在航空領域的重要性
一般來說，殘余應力是有害的，比如使得加工構件開裂、翹曲變形或者器件尺寸上發生變化，因此殘余應力是影響許多零部件使用壽命的關鍵因素之一，特別是那些經常經受疲勞或在應力腐蝕開裂環境中使用的部件。
但事物都具有兩面性，殘余應力同樣不該被一票否決，它的存在也有一定好處。
研究表明，在工件中引入適當大小的殘余壓應力可以延長其疲勞壽命。如拋丸處理以及適當的磨拋處理可以使工件表面形成壓應力層，這層壓應力可以抑制裂紋的萌生與擴展，從而提高工件壽命。
因此，準確測定殘余應力的大小與分布，在航空領域有著重要的應用前景。
目前，殘余應力的檢測一般分為有損檢測和無損檢測。對于一些大體積、低成本的部件，或許可以犧牲一部分來進行有損檢測，比如盲孔法，以得到檢驗結果。但是對于航空航天工業中使用的小體積、高成本的部件，這并不是一種可行之道。
目前，無損檢測技術廣泛地應用航空航天工業。無損檢測方法在檢測部件時不會破壞材料，可節約制造成本，結合檢驗數值，幫助航空公司發現工藝流程中的問題，優化工藝，是檢測飛機金屬疲勞和材料應力問題的重要工具。
殘余應力無損檢測技術概述
殘余應力的無損檢測技術分為壓痕應變法、X射線衍射法、超聲法、磁性法、同步輻射法與中子衍射法等。
壓痕應變法
壓痕應變法是一種利用球形壓痕誘導產生的應變增量測定殘余應力的方法。有無損、操作簡單、適用范圍廣、精度高等優點。
超聲法
超聲檢測法是利用材料的聲彈效應(即施加在材料上的內應力變化引起超聲波傳播速度的變化，其大小取決于超聲波的波型、傳播方向、材料組織和應力狀況等)，通過準確測定超聲波在構件內傳播速度的變化得出應力分布 。
由于超聲波的方向性好、穿透能力強、可以沿試樣表面傳播，因此可以檢測試樣表面以及大體積范圍的內部殘余應力，環形件殘余應力測定也十分適用，故而，在焊縫、齒輪、螺栓、鋼軌等方面有著重要的實際應用。具有便攜、方便與現場在線測試的優點。
磁測法
金屬磁測法是一種新型的無損檢測方法，基于自發磁化漏磁場，在不考慮結構變化的情況下獲得應力狀態，確定金屬結構的缺陷和異質性，并可以識別彈性變形，確定金屬滑動的平面以及疲勞裂紋發展的面積，實現構件或設備的早期診斷。
金屬磁測法雖然應用時間較短，但已經有比較成熟的檢測設備，通過磁場測量評估應力集中區，可早期預測損傷部位，但是目前還不能夠實現定量化檢測。
同步輻射法、中子衍射法
中子衍射法測定殘余應力的原理與X射線法的一致，不同的是，中子的穿透能力更強，對于大多數工程材料而言可以達到厘米級別，因此中子衍射法可以測得試樣內部更深處的應力分布。但是中子源的建造以及運行費用昂貴，無法進行現場實時測定，因此中子衍射法目前主要應用于工程和基礎科學研究。
X射線衍射法
X射線衍射法是一種無損性的測試方法，基本原理是以測量衍射線位移作為原始數據，所測得的結果實際上是殘余應變，而殘余應力是通過胡克定律由殘余應變計算得到的。
X射線法具有原理成熟(通過測量晶格間距變化求出應力大小)、方法完善、可重復測量、測試精度高、無損等優點，且可以現場操作并繪制應力云圖，為目前先進、無損、可靠，切實可行的殘余應力測定方法。
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