應力測試方法的現狀及發展趨勢
發布時間：2021/08/23
工業生產中，應力與應力集中是管道、壓力容器、渦輪盤、壓縮機葉片和飛機構件等重要承載結構件發生失效的主要原因之一。承載結構件由于加工制造、焊接變形造成的殘余應力以及在服役過程中動、靜載荷的作用下產生應力集中都會使其機械特性發生改變，尤其會對承載結構件的力學性能、耐腐蝕性、疲勞強度和形狀精度等產生較大的影響。因此應力的測量及其狀態評估一直是國內外研究的熱點。
1、常用應力測試方法
應力的存在與應力集中是導致材料和結構最終失效的主要原因。研究材料的應力分布及應力狀態下材料的物理性質，能夠預防工程應用中可能出現的損壞或失效。
而對于有益的物性改變，加以合理的利用可以增強材料的機械性能，因此分析材料的應力分布及應力狀態下的物理性質具有理論研究與實際應用價值，應力測試方法是實現這一價值的必要手段。目前，常用的應力測試方法有機械法、磁測法、衍射法、超聲法。
1.1機械法
●1.1.1小孔法
小孔法于1934年由德國學者J.Mather提出，并由Soete發展完善，使其具有實用性。經過數十年的發展，美國材料試驗協會(ASTM)于1981年頒布了鉆孔測量法殘余應力標準(ASTME837—1981)，并于2008年更新為ASTME837—08，將其確定為一種標準化的測試方法。其基本原理是采用結構件表面鉆孔的方式釋放其表面應力，并用預先粘貼好的三向應變片測量鉆孔前后的應變松弛，通過應變片測量材料應力釋放前后的應變量，運用相應的應力學公式計算出對應的主應力值及主應力方向。
根據鉆孔是否鉆通，小孔法可分為通孔法和盲孔法。根據鉆孔方式不同，小孔法又可分為鉆孔開孔法、噴砂開孔法和高速透平銑孔法。
其中鉆孔開孔法是小孔法測試殘余應力中最簡單的開孔方式，目前在我國實際生產中已得到了廣泛的應用，該方法測量方便，操作簡單，且設備便宜，但鉆孔時孔壁受到鉆頭擠壓會發生塑性變形產生附加應變，影響殘余應力測量精度。
綜上所述，小孔法由于具有對構件破壞性小、測量精度較高、設備輕便且便宜等特點，得到廣泛應用，但在使用過程中應注意以下問題：
1)釋放系數A和B。釋放系數受工件材料類型、厚度、所用應變片尺寸等因素的影響，因此對于不同的使用條件需對釋放系數分別進行標定。在彈性范圍內，應變釋放系數A、B均為常數。當孔邊材料發生屈服時，塑性應變的數值隨應力水平變化，這時需對釋放系數進行分級處理。通孔法應變釋放系數可由Kirsch理論解直接計算出，盲孔法應變釋放系數則需用實驗標定，近年來有研究將有限元法引入釋放系數的標定中，證明有限元法能對釋放系數進行有效標定，進而簡化了釋放系數標定的復雜度和難度。
2)附加應變。鉆孔時由于刀具切削作用引起孔邊塑性擠壓，會產生附加應變。為消除其對測量結果的影響，可結合光學方法進行測量，其優點在于可進行全場測量，并可得到靠近孔周的殘余變形信息。兩者相結合能使小孔法的測量精度顯著提高。
3)鉆孔偏心。在鉆孔測量時，不可避免會產生鉆孔偏心，標準提出當鉆孔中心與應變花中心的不重合度誤差在(0.004~0.02)D，且不可重復時，可對測試應力值進行修正。
●1.1.2環芯法
環芯法由Milbradt于1951年提出，其原理與小孔法相似，是在待測工件上貼應變花，并在應變花周圍銑一直徑為D的淺環槽，將其中的環芯部分從工件本體分離開來，殘留在環芯中的應力同時被釋放出來，最終將應變花測得的應變結果帶入相應的應力計算公式，即可得到工件待測點的主應力及其方向，其計算公式與小孔法相同。
這種方法也屬于局部破壞測量方法，其破壞性比盲孔法大，但它的應變釋放率高于盲孔法，且可測量近表面一定深度范圍內的殘余應力分布，且測試精度比盲孔法高。目前已制定環芯法測試汽輪機、汽輪發電機轉子鍛件殘余應力的相關標準，并在這兩個領域得到廣泛應用。
1. 2磁測法
●1.2.1金屬磁記憶法
金屬磁記憶檢測方法是20世紀90年代，以杜波夫為代表的俄羅斯學者率先提出的鐵磁金屬材料診斷檢測技術。
其原理是從鐵磁金屬表面拾取地磁場作用下的漏磁場信息，處于地磁環境下的鐵磁構件受載荷的作用，應力和變形集中區會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向。
這種不可逆變化在工作載荷消除后會保留下來，并在應力與變形集中區形成漏磁場感應強度HP的變化，即HP的切向分量HP(x)具有最大值，而法向分量HP(y)改變符號且具有零值點，通過檢測鐵磁構件表面磁場分布情況，如磁場法向分量Hp(y)及梯度K=dHP(y)/dx等特征量，可對應力集中或缺陷進行準確推斷。
目前金屬磁記憶法的主要應用于確定設備和構件的應力應變狀態的不均勻性和應力集中區。將其與常規無損檢測方法結合可減少檢測成本、檢測構件裂紋(尤其是焊接裂紋);各種類型焊接的質量控制(包括接觸焊與點焊);通過構件的不均勻性對新生產和在役機械制造產品實施快速分類等。
●1.2.2巴克豪森噪聲法
1919年德國科學家H.Barkhausen發現鐵磁體內可誘發出可測噪聲信號，隨后于20世紀逐漸開發成一種新型無損檢測技術，即巴克豪森噪聲(BarkhausenNoise，BN)技術。
鐵磁材料在磁化時，會發生磁疇壁移動和磁疇內磁矩的整體轉動，并且在磁滯曲線最陡的階段發生磁疇的不可逆運動。外磁場強度連續緩慢的變化，使得磁感應強度的變化產生不連續跳躍，這將在試件表面的接收線圈中產生一系列雜亂的電脈沖信號(即BN)。作用在鐵磁材料中的應力大小和方向不同，將影響巴克豪森噪聲信號的強弱。因此，可通過測量巴克豪森磁噪聲的活性及各參量來評估材料的應力狀態。
●1.2.3磁應變法
磁應變法的基本原理是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應，即鐵磁性材料在磁化時會發生尺寸的變化。反之，當材料處于應力作用時，材料的磁導率也會發生相應的變化。
測量時，在向磁各向異性傳感器提供恒定的磁電動勢的條件下，磁路中磁阻的變化將引起磁通的變化，而這種變化體現在傳感器上檢測線圈感生電動勢的變化，從而將非電量的應力應變轉化成可以測量的電量(如電流、電壓)，達到測量應力狀態的目的。
磁應變法的研究主要是基于采用不同的傳感器設計并建立其磁輸出信號與實際應力應變之間定量的算法關系。上世紀80年代前蘇聯、日本等國家，用U型探頭測定應力，目前已有二級探頭、四級探頭、九級探頭、三級探頭等傳感器和儀器被陸續開發出來。
1.3衍射法
●1.3.1X射線衍射法
X射線衍射法是殘余應力測定技術中無損檢測方法之一，是研究最為廣泛深入且成熟的應力測定方法，被廣泛應用于科學研究和工業生產的各個領域中。X射線應力測定的基本原理是：當一束波長為λ的射線照射到多晶體上時，會在一定的角度上接收到反射的X射線強度極大值(即衍射峰)。其中，X射線的波長、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從布拉格定律：2dsinθ=nλ(n=1，2，3……)
當應力引起晶格間距d發生變化時，衍射角2θ隨之變化。所以要求晶面間距d的變化，只要測得衍射角2θ的變化即可。利用衍射角的變化，根據彈性力學相關方程，可求出材料某一方向的應力大小。
X射線衍射法最早由前蘇聯學者Akcehob于1929年提出，1961年德國學者E.Macherauch提出sin2ψ法，隨后X射線衍射法引起各國學者的廣泛關注并進行了深入研究。歐盟標準委員會(CEN)于2008批準了新的X射線衍射殘余應力測定標準EN15305—2008。同年，中國也頒布標準GB/T7704—2008;美國試驗材料學會(ASTM)于2010年發布了最新的X射線衍射殘余應力測定標準ASTME915—2010。
X射線檢測能成為目前最成熟且應用范圍最廣泛的測量結構表面殘余應力的方法，其獨特的優勢在于：
1)理論成熟，測量精度高，測量結果準確可靠。與其他方法相比，X射線衍射法在應力測量的定性定量方面可信度較高;
2)通過X射線積分法、剝層法和多波長法可測量材料的三維殘余應力;
3)破壞性小，X射線法基本實現對材料的無損檢測。
●1.3.2中子衍射法
中子衍射法應力分析始于20世紀80年代，是近20年發展起來的一種無損測定殘余應力的方法，可以測定大體積工件的三維應力分布。
中子衍射測量殘余應力的基本原理與X射線應力測定方法相似，當波長為K的中子束通過多晶材料樣品時，對應晶面間距d，在滿足布拉格關系(λ=2dsinθ)的位置出現衍射峰。在應力的作用下晶面間距產生變化Δd，則衍射峰位置產生移動，通過測定這種移動獲取材料的應力狀態。
近年來，中子衍射測試技術多被應用于材料焊縫及周圍熱影響區的三維殘余應力分布、宏觀部件熱加工、熱處理和機加工后殘余應力的測量。
與常規X射線衍射相比較，中子衍射殘余應力分析的獨特優勢是中子具有很強的穿透能力，對于大多數工程材料而言，穿透能力在厘米量級，并能監視現實環境和加載條件下殘余應力的演化，是測量較大體積固體材料內部殘余應力的獨特技術。
中子衍射測量殘余應力的缺點是首先中子源的流強較弱，測量時間較長;其次中子衍射測量需要樣品的標準體積較大，且空間分辨較差，通常為10mm3，是X射線衍射的十分之一，因此，中子衍射不能測量材料表層的殘余應力，只有測量在距表面100μm及以上區域測量，中子衍射方法才具有優勢。
另外，中子衍射殘余應力測量受中子源的限制，衍射裝置不具有便攜性，無法在工作現場進行實時測量，且中子源建造和運行費用昂貴，在一定程度上也限制了該方法的商業應用。
1.4超聲及納米壓痕法
●1.4.1超聲波法
S.Okada于1940年提出應力引起的聲雙折射現象，1953年美國田納西大學D.S.Hughes和J.L.Kelly根據有限變形理論，提出各向同性材料聲彈性理論的早期表達形式，最先建立了超聲波在材料中傳播時速度與應力之間的關系，由此奠定了聲彈性理論的基礎。
目前超聲波測量殘余應力的方法有多種，其中聲速測量法和頻譜分析法是應用最廣泛的兩種方法。
聲速測量法是根據聲彈性公式中構建的聲速與應力的關系，通過測量波速變化就可以計算出材料殘余應力的大小，聲速測量法主要有相位比較法、聲時測量法、臨界角折射測量法等，其中聲時測量法應用最廣泛。
頻譜分析法測量應力的原理是：超聲波橫波受力時會分解成傳播速度不同的兩束波而產生干涉效應，通過測量接收信號的回波功率譜來計算應力值。
在應力測量中使用的波形有：橫波雙折射，優點是波形對應力最敏感;SH波，優點是無需標定聲彈性系數;縱波、縱波和橫波相結合等方法。
20世紀末使用臨界折射縱波測量得到了極大的發展并已成功用于簡單應力狀態的測量。由于表面波聲速低、可隨頻率變化，在探測不同表面深度的應力變化方面，已逐漸成為研究焦點。
超聲波法作為結構內部殘余應力無損檢測的重要方法，具有測量簡便、快速、適合在線檢測等優點，同時在應用中也存在一些問題：
1)工件中聲速對應力的響應非常小，通常兆帕級的應力只引起聲速納秒級的變化，這樣對信號處理的要求就非常高;
2)檢測過程中由于材料組織結構(特別是織構、粗晶)等原因會引起一定程度的織構效應。織構效應會引起聲速的波動，這種波動可能會超過應力引起的聲速變化;
3)對于軋制鋼板等材料，不可避免的存在各向異性。這種現象對聲速的影響可能也會超過應力對聲速的影響，導致難以區分應力狀態。
2、常用應力測試方法比較
傳統的應力測量方法，如機械法、光測法、衍射法等，其優勢在于理論體系完備，檢測方法成熟，可以精確測量構件表面的主應力大小與方向，給出應力分布圖，但檢測周期長，對構件表面光潔程度要求高，大多采用接觸式測量方法，操作過程復雜。
例如，機械法對被檢測對象有破壞，只能逐點測量，精度受應變片柵長限制;多點測量時，需反復安裝應變片，多次調整檢測電路;光測法對光學元件及光路調整要求較高，對被測件表面質量要求也很高，并且受檢測設備的限制，許多工業結構無法安裝光路;對于內部結構不均勻的構件，制造模型困難，難以應用光測方法分析應力。
因此，目前這些較為成熟的應力定量檢測方法都很難適應現代化工業生產的要求，在應用中可將光測法與機械法相結合，可顯著提高應力測量精度。
衍射法能對應力進行準確的定量檢測，但儀器較大且設備昂貴，一般企業不具備購置設備的條件。
超聲波法和納米壓痕法因其操作的簡便性，而具有廣闊的應用前景，但超聲波法只能測試一定距離內的平均應力，無法對單點做定量檢測，納米壓痕法的理論模型尚不成熟，還有待做進一步的實驗研究。
磁學應力測試方法檢測時傳感器不需要緊貼在構件表面，在一定的提離值范圍內，檢測信號強度不會受到影響，因此檢測對構件表面狀況沒有嚴格的要求。與其他檢測方法相比，具有操作簡單，可進行非接觸檢測的優點，縮短了檢測時間，適合工業在線檢測的需要，便于實現現場的快速自動化檢測;但磁學應力測試方法的缺點在于信號產生原理復雜，定量檢測困難，在內應力和磁化場作用下，構件內部磁疇結構的運動機理還沒有得到更好的解釋。
目前，采用磁學方法檢測應力主要應用于定性檢測和定量化要求不高的場合，在檢測精度較高的時候，常與其他檢測方法配合使用，該方法可以快速定性的判斷構件應力狀況，找出應力集中或危險位置，再進行針對性的定量測量。表1是各應力檢測方法的特點對比分析。
3、結束語
應力測量和狀態評價方法經過幾十年的發展和應用，已經形成了各具特色的多種檢測技術，并廣泛應用于各個行業，成為現代工業安全保障和產品質量控制的重要手段。
然而，無論是傳統的應力測量方法，還是新型的磁學、聲學應力測試方法，在應力的定量檢測方面還存在一定難度，特別是隨著近年來現代工業的快速發展和社會安全保障水平的提高，各行業各領域對應力測量和評價方法提出了更高的要求。
為了提高應力測量的檢測精度和檢測效率，兩種或兩種以上檢測方法配合使用，成為當前應力測量和狀態評估研究的一大發展方向。
