金屬材料殘余應力的無損檢測方法

殘余應力是指在沒有外力或外力矩作用的條件下，構件或材料內部存在并且自身保持平衡的宏觀應力。

殘余應力形成的根本原因

微觀上不同原子或者同種原子不同排列方式，造成材料成分或者結構上的不均勻性，導致原子間相互作用力的變化，宏觀上形成殘余應力。

哪些加工成型過程會導致殘余應力?

鑄造、鍛壓、焊接、噴涂以及各類機械加工成型過程中都會導致材料出現殘余應力。

殘余應力的影響

1、壞處

殘余應力會引起結構件及模具變形，形狀與尺寸準確度變差；在殘余拉應力條件下的腐蝕環(huán)境中會引起應力腐蝕；大鍛件去除應力不及時，殘余應力過大會導致斷裂等等。

2、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，在工程領域有著重要的應用前景。

殘余應力測定技術的起源

殘余應力的測定技術始于20世紀50年代，發(fā)展至今共形成了數十種測定方法。其中又分為有損測試和無損測試。

有損測試分為部分釋放法、完全釋放法等；無損測試分為壓痕應變法、X射線衍射法、超聲法、磁性法、同步輻射法與中子衍射法等。以下將做詳細介紹：

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(yōu)點。

缺點：只能用于平面應力的測定，對測量數據的處理比較復雜。

超聲法

由于超聲波的方向性好、穿透能力強、可以沿試樣表面?zhèn)鞑?，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(huán)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(yōu)點。

使用注意：超聲波速度受材料各向異性、環(huán)境溫度、探頭與構件之間聲耦合較大，因此超聲法在測定應力時需做標定試驗。

缺點：超聲法主要應用于大范圍體積內殘余應力的測量，無法獲得局部殘余應力的大小與狀態(tài)分布。

分類：

根據原理不同，超聲法測定殘余應力又可分為六種：臨界折射縱波法、反射縱波法、聲雙折射法、表面波法、電磁超聲法、激光超聲法。其中較為成熟的是臨界折射縱波法。

國家標準：

超聲法的相關國家標準有GB/T 32073-2015 《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》。

X射線衍射法

X射線法是由俄國學者于1929年提出，經過多年發(fā)展，理論與實際測定方法都較為成熟，是目前應用最為廣泛的一種無損殘余應力測試方法。

1、原理

X 射線衍射法測量殘余應力是基于X 射線衍射理論。當一束波長為λ 的X 射線照射在晶體表面時，會在特定的角度(2θ)上接收到X 射線反射光的波峰，這就是X 射線衍射現象。其中衍射角2θ與 X射線的波長λ、衍射晶面間距d之間遵從著名的布拉格定律：2dsin?=nλ. 。

式中，K 為彈性常數，當入射線的波長選定之后（λ 一定），通過測定衍射角θ，即可由布拉格方程得到受力之后的晶面間距，繼而得到相應的殘余應力值。這里需要指出的是由于晶體是各向異性的，因此彈性常數K 和宏觀意義上的彈性模量E 是不同的，需要根據所選擇的衍射晶面來計算出彈性常數K。

1961 年德國學者Macherauch 結合彈性理論和布拉格方程提出了測二維殘余應力的sin2ψ法：

根據ψ平面與測角儀2θ掃描平面的幾何關系，分為同傾法與側傾法兩種測試方式，精準檢測工件表面應力。

2、標準

依據X射線衍射法的原理，歐盟、美國材料協會等組織機構都制定了相關標準，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，我國現行標準GB/T 7704-2008顯然不夠完善，在測定原理、方法、儀器選擇和數據處理等多方面都存在有待改進的地方。在新修訂標準GB/T 7704-20xx中，主要參考歐盟最新標準EN 15305-2008以及其他相關文獻，對GB/T 7704-2008進行了較大的修改與完善。在保證與國際標準一致的前提下，使之更適合我國試驗室現狀。

目前新版GB/T 7704-20xx新標準已經修訂完畢，最新修訂的GB/T 7704中增加了大量術語和定義(三維應力、設備、方法相關)，使得過去一些含糊不清的描述表達變得規(guī)范化。為了使標準的應用更為廣泛，新國標中增加了三維殘余應力的理論計算方法以及具體測定流程。

根據衍射裝置的幾何布置不同，GB/T 7704-20xx新標準中將應力測定方法分為7類，分別是：同傾固定ψ0法(ω法)、同傾固定ψ法(θ-2θ掃描法)、側傾法(χ法)、雙線陣探測器ω法、雙線陣探測器側傾法(修正χ法)、側傾固定ψ法(θ-θ掃描ψ法)、粗晶材料擺動法。不同方法的衍射儀的原理和結構如圖2-圖6所示。

擺動法是在前面方法的基礎上使X射線管和探測器在ψ平面內左右回擺一定的角度來增加材料中參加衍射的晶粒數的一種方法，主要應用于解決粗晶材料的應力測定問題。

cosα方法是一種新的X射線測定殘余應力的方法，α指德拜環(huán)上的任一角度。當材料中存在殘余應力時，德拜環(huán)半徑會發(fā)生變化，如7所示。在cosα方法中，德拜環(huán)通過面探測器進行接收，因此待測平面上α=0~360°上的應變可以快速地測定出來。

與 sin2ψ方法相比，cosα方法是基于德拜環(huán)的分布來計算殘余應力，因而具有諸多優(yōu)點?；诘掳莪h(huán)的方法可以獲得X射線在給定入射角的全部衍射德拜環(huán)，即提高了測定速率，又擺脫了測角儀的束縛，擴大了傳統(tǒng)X射線法測定殘余應力的應用范圍，在整個德拜環(huán)上可以采集多個數據點，進行數據擬合時誤差更小，測定數據可靠性更好。

cosα方法適用于現場復雜場景下的殘余應力測定，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N測試方法。不過由于cosα方法檢測設備剛推向市場，沒有普及，缺乏相關標準和驗證，因此還存在市場認可等問題。

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，相關的測試標準有：ISO/TS 21432：2005《Non-destructive Testing-Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Neutron Diffraction》以及等同采用的國標GB/T 26140-2010《無損檢測 測量殘余應力的中子衍射方法》。

問題與展望

殘余應力對于工件質量、壽命有著重要影響，其測定理論與方法也多種多樣。

隨著技術條件的進步，殘余應力的測定也變得越發(fā)簡單、精確，例如從位敏探測器升級到線陣探測器，結合機器人可以靈活地對不同的測試位置進行測定，測定的效率從數十分鐘縮減到數十秒鐘，實現了測定效率的極大提高。

但是，不同的殘余應力測定方法的適用范圍有著較大的差距，因此需要根據相關技術要求來選擇，如精度、范圍、試樣破壞性以及現場條件等。

根據目前殘余應力測定的標準以及技術手段來推斷，未來無損法測定殘余應力的發(fā)展空間更大。為了使殘余應力測定更好地滿足逐漸提高的精度需求和日益復雜的工況環(huán)境,更好地服務于相關制造業(yè)的發(fā)展，如下5個問題應當重點關注。

(1)X射線法測定殘余應力中，采用面探測儀的cosα方法在固定ψ0下單次曝光即可得到衍射角的變化，從而計算出待測殘余應力，其測定速度更高，數據可靠性高，應用范圍更廣泛，應大力推動其設備制造以及相關標準制定。

(2)各種設備(理論)測定結果存在一致性問題。在實驗室能力驗證活動中，由于缺少相關權威認證機構認可的標準樣品，理論實驗方案尤其是三維殘余應力測定的驗證工作開展緩慢，實驗室認可活動也存在較大困難。

(3)不同設備的適用范圍差異巨大，有些是原子體積量級，有些是立方毫米量級，有些是立方米量級，測試結果之間不具有可比性。

(4)缺少政府認可的檢定校準機構，試驗室無法有效實施認證認可。

(5)標準樣品尚沒有公認的嚴格意義上的標準物質，試驗室間缺少比對數據，只能進行試驗室間數值比對。

由于當前我國殘余應力檢測方面缺乏足夠豐富的行業(yè)標準，因此在尋求檢定校準機構的時候，更需要多方參考。

（1）查看證書

如同招聘時挑選人才，先看學歷，這是社會對其最直觀的肯定，檢驗機構也一樣。檢驗機構必須有國家CNAS等授權。沒有國家CNAS等授權的檢測機構出具的證書權威性很低，很難受到認可。

（2）看硬件設備

產品應力檢測的正確性，離不開專業(yè)的儀器設備。檢驗機構的綜合實力及設施是企業(yè)選擇的重要標志之一。

（3）看服務與專業(yè)度

一個好的檢驗機構，必須要有良好的服務和專業(yè)的知識技能，懂得客戶對產品檢測的要求，也能根據客戶需求提供專業(yè)服務。

硬件方面，擁有先進的X射線衍射法殘余應力分析儀，包括日本Rigaku的AutoMATE Ⅱ大功率微區(qū)應力儀和SmartSite RS便攜式應力分析儀、加拿大Proto iXRD型應力儀、芬蘭 AST XStress 3000型應力儀等先進儀器；并配備高端的電解拋光設備，針對金屬工件變形、開裂、尺寸精度不穩(wěn)定、疲勞壽命、靜強度、應力腐蝕等，開展殘余應力檢測、評價以及相關技術領域的應用研究。

軟件方面，堅持自主研發(fā)，擁有固體力學、材料力學、無損檢測、機械制造、控制工程等專業(yè)的博士后、博士、碩士研究人員十數人，其中多人曾經或正在參與國家973、863項目。并與北京航空航天大學成立殘余應力與變形加工控制聯合實驗室，并依托實驗室的研究力量成立檢測中心。

軟件、硬件實力同樣雄厚，憑借專業(yè)的技術團隊、先進的設備、過硬的技術能力，正成為殘余應力檢測行業(yè)佼佼者！