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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2018-05-02 09:13
工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)力與應(yīng)力集中是管道、壓力容器、渦輪盤(pán)、壓縮機(jī)葉片和飛機(jī)構(gòu)件等重要承載結(jié)構(gòu)件發(fā)生失效的主要原因之一。承載結(jié)構(gòu)件由于加工制造、 焊接變形造成的殘余應(yīng)力以及在服役過(guò)程中動(dòng)、靜載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中都會(huì)使其機(jī)械特性發(fā)生改變， 尤其會(huì)對(duì)承載結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和形狀精度等產(chǎn)生較大的影響。如何對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行 應(yīng)力測(cè)量、狀態(tài)評(píng)估以期盡早發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域、快 速有效的分析測(cè)定結(jié)構(gòu)件重要部分的應(yīng)力與應(yīng)變分布 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析，同時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)件的使用狀 況和壽命實(shí)現(xiàn)早期診斷與監(jiān)測(cè)，已成為亟需解決的問(wèn) 題，也是近年來(lái)力學(xué)研究的主要方向。因此應(yīng)力的測(cè) 量及其狀態(tài)評(píng)估一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
1 常用應(yīng)力測(cè)試方法
應(yīng)力的存在與應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因。研究材料的應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)下材 料的物理性質(zhì)，能夠預(yù)防工程應(yīng)用中可能出現(xiàn)的損壞或失效。而對(duì)于有益的物性改變，加以合理的利用可 以增強(qiáng)材料的機(jī)械性能，因此分析材料的應(yīng)力分布及 應(yīng)力狀態(tài)下的物理性質(zhì)具有理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值， 應(yīng)力測(cè)試方法是實(shí)現(xiàn)這一價(jià)值的必要手段。目前，常 用的應(yīng)力測(cè)試方法有機(jī)械法、光測(cè)法、磁測(cè)法、衍射法、 超聲法及納米壓痕法。
1.1 機(jī)械法
● 1.1.1 小孔法
小孔法于1934 年由德國(guó)學(xué)者J.Mather 提出[1]，并由Soete 發(fā)展完善，使其具有實(shí)用性[2]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年 的發(fā)展，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）于1981 年頒布 了鉆孔測(cè)量法殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E837—1981）， 并于2008 年更新為ASTM E837—08[3]，將其確定為
一種標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法。其基本原理是采用結(jié)構(gòu)件表面鉆孔的方式釋放其表面應(yīng)力，并用預(yù)先粘貼好的三 向應(yīng)變片測(cè)量鉆孔前后的應(yīng)變松弛，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量 材料應(yīng)力釋放前后的應(yīng)變量，運(yùn)用相應(yīng)的應(yīng)力學(xué)公式 計(jì)算出對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向。
根據(jù)鉆孔是否鉆通，小孔法可分為通孔法和盲孔法。根據(jù)鉆孔方式不同，小孔法又可分為鉆孔開(kāi)孔法、 噴砂開(kāi)孔法和高速透平銑孔法。其中鉆孔開(kāi)孔法是小孔法測(cè)試殘余應(yīng)力中最簡(jiǎn)單的開(kāi)孔方式，目前在我國(guó) 實(shí)際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應(yīng)用，該方法測(cè)量方便， 操作簡(jiǎn)單，且設(shè)備便宜，但鉆孔時(shí)孔壁受到鉆頭擠壓 會(huì)發(fā)生塑性變形產(chǎn)生附加應(yīng)變，影響殘余應(yīng)力測(cè)量精 度。噴砂開(kāi)孔法的特點(diǎn)在于開(kāi)孔不受材料限制，加工 應(yīng)變很小，測(cè)量精度高，但操作過(guò)程復(fù)雜，且不適用 于較軟材料或有應(yīng)力梯度構(gòu)件的測(cè)試。高速透平銑 孔法特點(diǎn)在于可在高硬度材料上銑孔，且加工應(yīng)變很 小，這是由于銑孔轉(zhuǎn)速高、進(jìn)刀量小以及可采用特殊 的倒錐型銑刀，同時(shí)高速銑平鉆孔裝置使用也非常方 便。因此，高速透平銑孔法是發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較多的小孔法殘余應(yīng)力測(cè)試方法，并且是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E837—08 推薦的小孔法鉆孔方式之一。
綜上所述，小孔法由于具有對(duì)構(gòu)件破壞性小、測(cè)量精度較高、設(shè)備輕便且便宜等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)得到廣 泛應(yīng)用，但在使用過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：
1) 釋放系數(shù)A 和B 。釋放系數(shù)受工件材料類(lèi)型、厚度、所用應(yīng)變片尺寸等因素的影響，因此對(duì)于不同 的使用條件需對(duì)釋放系數(shù)分別進(jìn)行標(biāo)定。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 均為常數(shù)。當(dāng)孔邊材料發(fā)生 屈服時(shí)，塑性應(yīng)變的數(shù)值隨應(yīng)力水平變化，這時(shí)需對(duì) 釋放系數(shù)進(jìn)行分級(jí)處理。 通孔法應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch 理論解直接計(jì)算出，盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)則需用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，近年來(lái)有 研究將有限元法引入釋放系數(shù)的標(biāo)定中，證明有限元法能對(duì)釋放系數(shù)進(jìn)行有效標(biāo)定，進(jìn)而簡(jiǎn)化了釋放系數(shù)標(biāo)定的復(fù)雜度和難度。
2) 附加應(yīng)變。鉆孔時(shí)由于刀具切削作用引起孔邊塑性擠壓，會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)變。為消除其對(duì)測(cè)量結(jié)果的
影響，可結(jié)合光學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)在于可進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量，并可得到靠近孔周的殘余變形信息。兩者 相結(jié)合能使小孔法的測(cè)量精度顯著提高。
3) 鉆孔偏心。在鉆孔測(cè)量時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生鉆孔偏心，標(biāo)準(zhǔn)[6] 提出當(dāng)鉆孔中心與應(yīng)變花中心的不重
合度誤差在(0.004~0.02)D ，且不可重復(fù)時(shí)，可對(duì)測(cè)試應(yīng)力值進(jìn)行修正。
● 1.1.2 環(huán)芯法
環(huán)芯法由Milbradt 于1951 年提出，其原理與小孔法相似，是在待測(cè)工件上貼應(yīng)變花，并在應(yīng)變花
周?chē)娨恢睆綖镈 的淺環(huán)槽，將其中的環(huán)芯部分從工件本體分離開(kāi)來(lái)，殘留在環(huán)芯中的應(yīng)力同時(shí)被釋放出 來(lái)，最終將應(yīng)變花測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果帶入相應(yīng)的應(yīng)力計(jì) 算公式，即可得到工件待測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力及其方向，其 計(jì)算公式與小孔法相同。這種方法也屬于局部破壞 測(cè)量方法，其破壞性比盲孔法大，但它的應(yīng)變釋放率 高于盲孔法，且可測(cè)量近表面一定深度范圍內(nèi)的殘余 應(yīng)力分布，且測(cè)試精度比盲孔法高。目前已制定環(huán)芯 法測(cè)試汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件殘余應(yīng)力的相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)，并在這兩個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
環(huán)芯法測(cè)殘余應(yīng)力的誤差主要來(lái)源于應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)、零點(diǎn)漂移誤差和釋放系數(shù)A 與B 的誤差及銑刀 產(chǎn)生的加工附加應(yīng)變。其中附加應(yīng)變引進(jìn)的誤差可預(yù)先標(biāo)定，然后在測(cè)量時(shí)扣除，以達(dá)到減少誤差的目的。 對(duì)于釋放系數(shù)A 與B 的標(biāo)定，不同材料及不同的銑槽 深度需分別進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法可采用拉伸實(shí)驗(yàn)法和 有限元法，有限元法標(biāo)定系數(shù)與拉伸實(shí)驗(yàn)法的誤差在 ±2% 以?xún)?nèi)，由于有限元法更為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，因此，推薦 該方法進(jìn)行釋放系數(shù)標(biāo)定。
1.2 光測(cè)法
● 1.2.1 光彈性法
光彈性法是將具有雙折射效應(yīng)的透明光彈性貼片粘貼在被測(cè)工件上并置于偏振光場(chǎng)中，當(dāng)給工件加上載 荷時(shí)，貼片上產(chǎn)生干涉條紋圖。通過(guò)測(cè)量干涉條紋數(shù)目，可確定工件在受載情況下的應(yīng)力狀態(tài)，工件應(yīng)力梯度越 大，干涉條紋越密集。由于光彈性法可以顯示構(gòu)件表面 的應(yīng)變場(chǎng)條紋圖像，可研究復(fù)雜幾何形狀和載荷條件構(gòu) 件的應(yīng)力分布狀態(tài)，目前光彈性法廣泛應(yīng)用于建筑、復(fù) 合材料等多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和應(yīng)力場(chǎng)分析。
光彈性方法屬于非接觸測(cè)量方法，具有機(jī)械法不 能達(dá)到的全場(chǎng)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，既可測(cè)量表面應(yīng)力，也可測(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)力；且該方法能夠清晰地反映應(yīng)力集中部位， 并可確定應(yīng)力集中系數(shù)，但其不足之處體現(xiàn)在工藝較 復(fù)雜，測(cè)量周期比較長(zhǎng)，需要將被測(cè)對(duì)象置于偏振光 環(huán)境中且光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。
● 1.2.2 云紋干涉法
云紋干涉法是上世紀(jì)80 年代發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)方法，并且隨著D.Post[17] 等研究者對(duì)云紋干 涉法理論建設(shè)的完善以及試驗(yàn)設(shè)備的進(jìn)步，該實(shí)驗(yàn)方法越來(lái)越成熟。其基本原理是將光柵粘貼在試件待測(cè) 面上，兩束相干準(zhǔn)直光以一定入射角對(duì)稱(chēng)入射到試件 柵上，在試件表面法線(xiàn)方向上得到干涉條紋；當(dāng)試件 受力變形后，試件柵隨之變形，干涉條紋的級(jí)數(shù)和間 距將發(fā)生變化，根據(jù)彈性力學(xué)的幾何方程，可以計(jì)算 出應(yīng)變場(chǎng)及應(yīng)力。
云紋干涉法的試件柵是柵線(xiàn)密度為600~1200線(xiàn)/mm 的高密度衍射光柵，其靈敏度比傳統(tǒng)云紋法高 出30~120 倍。云紋干涉法的圖形與光彈性實(shí)驗(yàn)相似， 但對(duì)模型材料沒(méi)有光學(xué)性能要求且計(jì)算方法不同。
云紋干涉法與電測(cè)法不同之處在于光柵（貼片）的面積大，計(jì)算點(diǎn)數(shù)多，能求出應(yīng)變場(chǎng)。云紋干涉法具有高靈 敏度、條紋質(zhì)量好、條紋分辨率高、大量程、實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè) 等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在與小孔法、環(huán)芯 法等結(jié)合測(cè)試殘余應(yīng)力方法取得了良好的效果。
1.3 磁測(cè)法
● 1.3.1 金屬磁記憶法
金屬磁記憶檢測(cè)方法是20 世紀(jì)90 年代，以杜波夫?yàn)榇淼亩砹_斯學(xué)者率先提出的鐵磁金屬材料診斷 檢測(cè)技術(shù)。其原理是從鐵磁金屬表面拾取地磁場(chǎng)作用下的漏磁場(chǎng)信息，處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受載 荷的作用，應(yīng)力和變形集中區(qū)會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性 質(zhì)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(huì)保留下來(lái)，并在應(yīng)力與變形 集中區(qū)形成漏磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度H P 的變化，即H P 的切向 分量H P(x ) 具有最大值，而法向分量H P(y ) 改變符號(hào) 且具有零值點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)鐵磁構(gòu)件表面磁場(chǎng)分布情況，如磁場(chǎng)法向分量H p(y ) 及梯度K =dH P(y )/dx 等特征 量，可對(duì)應(yīng)力集中或缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確推斷。
目前金屬磁記憶法的主要應(yīng)用于確定設(shè)備和構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的不均勻性和應(yīng)力集中區(qū)；將其與常 規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法結(jié)合可減少檢測(cè)成本、檢測(cè)構(gòu)件裂紋 （尤其是焊接裂紋）；各種類(lèi)型焊接的質(zhì)量控制（包 括接觸焊與點(diǎn)焊）；通過(guò)構(gòu)件的不均勻性對(duì)新生產(chǎn)和 在役機(jī)械制造產(chǎn)品實(shí)施快速分類(lèi)等。
金屬磁記憶法是21 世紀(jì)最具潛力的無(wú)損檢測(cè)方法，在實(shí)際應(yīng)用中有諸多優(yōu)點(diǎn)：既可以檢測(cè)宏觀(guān)缺陷， 又可以檢測(cè)微觀(guān)缺陷，并預(yù)報(bào)潛在危險(xiǎn)；檢測(cè)時(shí)采用 非接觸方法，不需要對(duì)被檢測(cè)器件進(jìn)行任何表面清理 或預(yù)處理；能實(shí)現(xiàn)在役設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的 磁化設(shè)備；設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高（能達(dá) 到100m/h 以上）。
金屬磁記憶檢測(cè)經(jīng)過(guò)近20 年的發(fā)展，雖然取得了不少研究成果和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，但仍存在許多需要解決的 問(wèn)題，首先是機(jī)理尚不成熟，未形成一套系統(tǒng)嚴(yán)密的 理論體系；其次是打磨、環(huán)境磁場(chǎng)等外因素對(duì)磁記憶 檢測(cè)的影響有待進(jìn)一步研究分析；對(duì)殘余應(yīng)力的定量 化問(wèn)題所做的研究較少。
● 1.3.2 巴克豪森噪聲法
1919 年德國(guó)科學(xué)家H.Barkhausen[31] 發(fā)現(xiàn)鐵磁體內(nèi)可誘發(fā)出可測(cè)噪聲信號(hào)，隨后于20 世紀(jì)逐漸開(kāi)發(fā)成一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，即巴克豪森噪聲 （Barkhausen Noise，BN）技術(shù)。鐵磁材料在磁化時(shí)，會(huì)發(fā)生磁疇壁移動(dòng)和磁疇內(nèi)磁矩的整體轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在 磁滯曲線(xiàn)最陡的階段發(fā)生磁疇的不可逆運(yùn)動(dòng)。外磁場(chǎng) 強(qiáng)度連續(xù)緩慢的變化，使得磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化產(chǎn)生不 連續(xù)跳躍，這將在試件表面的接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生一系列 雜亂的電脈沖信號(hào)（即BN）。作用在鐵磁材料中的 應(yīng)力大小和方向不同，將影響巴克豪森噪聲信號(hào)的強(qiáng) 弱。因此，可通過(guò)測(cè)量巴克豪森磁噪聲的活性及各參 量來(lái)評(píng)估材料的應(yīng)力狀態(tài)。
巴克豪森噪聲發(fā)展相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在：
1) 采用零點(diǎn)標(biāo)定技術(shù)繪制MBN- 應(yīng)力標(biāo)定曲線(xiàn)；
2) 把功率譜分析引入巴克豪森技術(shù)中，對(duì)MBN信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析；
3) 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了MBN 信號(hào)與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
4) 將巴克豪森技術(shù)測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)( 如盲孔法和X 射線(xiàn)衍射法) 相比較，探討其可 行性和實(shí)用性；
5) 通過(guò)研究巴克豪森噪聲與塑性應(yīng)變的關(guān)系，來(lái)評(píng)估殘余應(yīng)力。
巴克豪森信號(hào)作為一種新的鐵磁性材料應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，應(yīng)用前景廣闊，具有精度高、檢測(cè)速度 快等優(yōu)點(diǎn)，但在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：
1）MBN 測(cè)量需要校準(zhǔn)，即將信號(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為所測(cè)應(yīng)力、硬度或缺陷的絕對(duì)值。MBN 測(cè)量對(duì)材料
表面無(wú)特殊要求，但構(gòu)件的表面粗糙度、氧化皮厚度等對(duì)MBN 信號(hào)都有影響。因此，校準(zhǔn)樣品要與被測(cè)構(gòu)件的表面狀況一致；
2）目前常用的巴克豪森信號(hào)的產(chǎn)生是由于鐵磁性材料內(nèi)部最小單元磁疇在外磁場(chǎng)的激發(fā)下錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的， 激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、激勵(lì)信號(hào)的頻率等都會(huì)對(duì)巴克豪森信 號(hào)產(chǎn)生影響。因此，需選擇合適的激勵(lì)方式；
3）巴克豪森信號(hào)的強(qiáng)弱不僅與材料的應(yīng)力有關(guān)，還受到材料化學(xué)成分、金相組織、熱處理及冷加工過(guò)
程的影響。因此，在測(cè)試前，要使用與被測(cè)試件化學(xué)成分、金相組織和熱處理狀態(tài)均相同的標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè) 出磁彈性參量與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，才能將實(shí)測(cè) 值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值。
● 1.3.3 磁應(yīng)變法
磁應(yīng)變法的基本原理是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生尺寸的變化。反 之，當(dāng)材料處于應(yīng)力作用時(shí)，材料的磁導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。測(cè)量時(shí)，在向磁各向異性傳感器提供恒定的 磁電動(dòng)勢(shì)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(xiàn)在傳感器上檢測(cè)線(xiàn)圈感生電動(dòng)勢(shì)的 變化，從而將非電量的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化成可以測(cè)量的電量 （如電流、電壓），達(dá)到測(cè)量應(yīng)力狀態(tài)的目的。
磁應(yīng)變法的研究主要是基于采用不同的傳感器設(shè)計(jì)并建立其磁輸出信號(hào)與實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變之間定量的算法 關(guān)系。上世紀(jì)80 年代前蘇聯(lián)、日本等國(guó)家，用U 型探 頭測(cè)定應(yīng)力，目前已有二級(jí)探頭、四級(jí)探頭、九級(jí)探頭、 三級(jí)探頭等傳感器和儀器被陸續(xù)開(kāi)發(fā)出來(lái)。
基于逆磁致伸縮效應(yīng)的磁各向異性進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量的思想早已被提出，但真正實(shí)用化研究是近二十年的 事，并且進(jìn)展較為緩慢。在該方法的實(shí)際應(yīng)用中主要 存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1）目前對(duì)材料的磁本質(zhì)還沒(méi)有一個(gè)完美的解釋?zhuān)瑹o(wú)法從微觀(guān)角度為磁測(cè)法提供充分的理論依據(jù)；
2）目前的磁應(yīng)變法能快速有效的檢測(cè)出試件的主應(yīng)力差，但主應(yīng)力σ 1、σ 2 數(shù)值則需要借助邊界條件 以及切應(yīng)力差法求解。在實(shí)際測(cè)量中，很難確定邊界條件而且算法累積誤差大，影響求解精度；
3）應(yīng)力與磁導(dǎo)率在應(yīng)力＜300MPa 時(shí)應(yīng)力與磁導(dǎo)率近似線(xiàn)性，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)，則呈非線(xiàn)性。因此， 磁應(yīng)變法對(duì)高殘余應(yīng)力構(gòu)件的測(cè)試方面還需做進(jìn)一步的研究。
4）數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需對(duì)靈敏系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，目前比較完善的技術(shù)是單向應(yīng)力標(biāo)定法，二向應(yīng)力標(biāo)定技術(shù)還有待完善。
● 1.3.4 磁聲發(fā)射法
磁聲發(fā)射(Magnetic Acoustic Emission，MAE)法是1975 年美國(guó)科學(xué)家Lord 在用直流磁場(chǎng)作用鎳 棒時(shí)，發(fā)現(xiàn)鎳的磁疇壁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生超聲波發(fā)射。隨后，Kanji 和Kusanagi 等人相繼做了許多試驗(yàn)，進(jìn)一步證 實(shí)材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的磁聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度比無(wú)應(yīng) 力時(shí)所產(chǎn)生的磁聲發(fā)射信號(hào)要低一些，認(rèn)為該技術(shù)有 可能成為無(wú)損檢測(cè)構(gòu)件殘余應(yīng)力和材料其它性能的新 方法，并付諸了工業(yè)應(yīng)用。
磁聲發(fā)射法的基本原理是，鐵磁性材料內(nèi)存在磁矩方向各異的磁疇，在外部磁場(chǎng)作用下，將產(chǎn)生磁疇 的突然運(yùn)動(dòng)和磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)相鄰兩磁疇內(nèi)磁致伸縮不一致而出現(xiàn)位移便引起MAE 脈沖信號(hào)。 由于MAE 信號(hào)強(qiáng)烈依賴(lài)于材料所受的磁化場(chǎng)和應(yīng)力 場(chǎng)。因此，可根據(jù)MAE 強(qiáng)度值的變化來(lái)推測(cè)構(gòu)件的 受力情況。
與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，磁聲發(fā)射法檢測(cè)技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)、檢測(cè)深度大、檢測(cè)靈敏 度高等優(yōu)點(diǎn)，但目前磁聲發(fā)射的研究尚處于起步階段， 一些問(wèn)題尚需進(jìn)一步深入研究：
1）如何消除鋼的顯微組織、成分、熱處理狀態(tài)以及所處的應(yīng)力狀態(tài)等對(duì)磁聲發(fā)射的影響；
2）現(xiàn)對(duì)材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的磁聲發(fā)射特性研究主要集中在中、低碳鋼材料上，而對(duì)高強(qiáng)度、高合
金鋼的磁聲發(fā)射特性研究還處于空白；
3）MAE 測(cè)量有明顯的尺寸效應(yīng)。通常構(gòu)件尺寸越大，測(cè)量值越小。要消除尺寸效應(yīng)，需通過(guò)對(duì)大小
不同試件的反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)。
1.4 衍射法
● 1.4.1 X 射線(xiàn)衍射法
X 射線(xiàn)衍射法是殘余應(yīng)力測(cè)定技術(shù)中無(wú)損檢測(cè)方法之一，是研究最為廣泛深入且成熟的應(yīng)力測(cè)定方法， 被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定的基本原理是：當(dāng)一束波長(zhǎng)為λ 的射線(xiàn) 照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度上接收到反射的 X 射線(xiàn)強(qiáng)度極大值（即衍射峰）。其中，X 射線(xiàn)的波長(zhǎng)、 衍射晶面間距d 和衍射角2θ 之間遵從布拉格定律： 2d sinθ=nλ (n =1，2，3……)
當(dāng)應(yīng)力引起晶格間距d 發(fā)生變化時(shí)，衍射角2θ隨之變化。所以要求晶面間距d 的變化，只要測(cè)得衍射角2θ 的變化即可。利用衍射角的變化，根據(jù)彈性 力學(xué)相關(guān)方程，可求出材料某一方向的應(yīng)力大小。
X 射線(xiàn)衍射法最早由前蘇聯(lián)學(xué)者Akcehob 于1929年提出，1961 年德國(guó)學(xué)者E. Macherauch 提出sin2ψ 法， 隨后X 射線(xiàn)衍射法引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注并進(jìn)行了
深入研究。歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN) 于2008 批準(zhǔn)了新的X 射線(xiàn)衍射殘余應(yīng)力測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)EN 15305—2008。同年， 中國(guó)也頒布標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704—2008；美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué) 會(huì)(ASTM) 于2010 年發(fā)布了最新的X 射線(xiàn)衍射殘余應(yīng) 力測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)ASTM E915—2010。
X 射線(xiàn)檢測(cè)能成為目前最成熟且應(yīng)用范圍最廣泛的測(cè)量結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力的方法，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于：
1）理論成熟，測(cè)量精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。與其他方法相比，X 射線(xiàn)衍射法在應(yīng)力測(cè)量的定性定 量方面可信度較高；
2）通過(guò)X 射線(xiàn)積分法、剝層法和多波長(zhǎng)法可測(cè)量材料的三維殘余應(yīng)力；
3）破壞性小，X 射線(xiàn)法基本實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的無(wú)損檢測(cè)。
但同時(shí)X 射線(xiàn)衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力也有其局限性：
目前X 射線(xiàn)衍射法檢測(cè)普通碳鋼材料的殘余應(yīng)力 已非常成熟，但對(duì)于鋁合金、不銹鋼、鈦合金等存在 大晶粒或織構(gòu)組織的材料檢測(cè)方法還不成熟。其次X 射線(xiàn)測(cè)量深度只有10~30μm，因此測(cè)試時(shí)對(duì)材料的表 面處理非常嚴(yán)格，應(yīng)避免使用可能削弱晶界或可能優(yōu) 先腐蝕某個(gè)相的化學(xué)物質(zhì)，因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致局部應(yīng) 力松弛，推薦先使用砂輪或紗布將工件表面打磨光滑， 然后再用電解拋光去除機(jī)械或磨削加工時(shí)帶入的表層 附加應(yīng)力。
● 1.4.2 中子衍射法
中子衍射法應(yīng)力分析始于20 世紀(jì)80 年代，是近20 年發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損測(cè)定殘余應(yīng)力的方法，可以 測(cè)定大體積工件的三維應(yīng)力分布。中子衍射測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理與X 射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定方法相似，當(dāng)波長(zhǎng) 為K 的中子束通過(guò)多晶材料樣品時(shí)，對(duì)應(yīng)晶面間距d ， 在滿(mǎn)足布拉格關(guān)系(λ= 2d sinθ ) 的位置出現(xiàn)衍射峰。 在應(yīng)力的作用下晶面間距產(chǎn)生變化Δd ，則衍射峰位置 產(chǎn)生移動(dòng)，通過(guò)測(cè)定這種移動(dòng)獲取材料的應(yīng)力狀態(tài)。 近年來(lái)，中子衍射測(cè)試技術(shù)多被應(yīng)用于材料焊縫及周 圍熱影響區(qū)的三維殘余應(yīng)力分布、宏觀(guān)部件熱加工、 熱處理和機(jī)加工后殘余應(yīng)力的測(cè)量。
與常規(guī)X 射線(xiàn)衍射相比較，中子衍射殘余應(yīng)力分析的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是中子具有很強(qiáng)的穿透能力，對(duì)于大多數(shù)工程材料而言，穿透能力在厘米量級(jí)，并能監(jiān)視現(xiàn) 實(shí)環(huán)境和加載條件下殘余應(yīng)力的演化，是測(cè)量較大體 積固體材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的獨(dú)特技術(shù)。
中子衍射測(cè)量殘余應(yīng)力的缺點(diǎn)是首先中子源的流強(qiáng)較弱，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；其次中子衍射測(cè)量需要樣品 的標(biāo)準(zhǔn)體積較大，且空間分辨較差，通常為10mm3， 是X 射線(xiàn)衍射的十分之一，因此，中子衍射不能測(cè)量 材料表層的殘余應(yīng)力，只有測(cè)量在距表面100μm 及 以上區(qū)域測(cè)量，中子衍射方法才具有優(yōu)勢(shì)。另外，中 子衍射殘余應(yīng)力測(cè)量受中子源的限制，衍射裝置不具 有便攜性，無(wú)法在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，且中子 源建造和運(yùn)行費(fèi)用昂貴，在一定程度上也限制了該方 法的商業(yè)應(yīng)用。
1.5 超聲及納米壓痕法
● 1.5.1 超聲波法
S.Okada 于1940 年提出應(yīng)力引起的聲雙折射現(xiàn)象，1953 年美國(guó)田納西大學(xué)D.S.Hughes 和J.L.Kelly 根 據(jù)有限變形理論，提出各向同性材料聲彈性理論的早期 表達(dá)形式，最先建立了超聲波在材料中傳播時(shí)速度與應(yīng) 力之間的關(guān)系，由此奠定了聲彈性理論的基礎(chǔ)。
目前超聲波測(cè)量殘余應(yīng)力的方法有多種，其中聲速測(cè)量法和頻譜分析法是應(yīng)用最廣泛的兩種方法。聲 速測(cè)量法是根據(jù)聲彈性公式中構(gòu)建的聲速與應(yīng)力的關(guān) 系，通過(guò)測(cè)量波速變化就可以計(jì)算出材料殘余應(yīng)力的 大小，聲速測(cè)量法主要有相位比較法、聲時(shí)測(cè)量法、 臨界角折射測(cè)量法等，其中聲時(shí)測(cè)量法應(yīng)用最廣泛。 頻譜分析法測(cè)量應(yīng)力的原理是：超聲波橫波受力時(shí)會(huì) 分解成傳播速度不同的兩束波而產(chǎn)生干涉效應(yīng)，通過(guò) 測(cè)量接收信號(hào)的回波功率譜來(lái)計(jì)算應(yīng)力值。
在應(yīng)力測(cè)量中使用的波形有：橫波雙折射，優(yōu)點(diǎn)是波形對(duì)應(yīng)力最敏感；SH 波，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需標(biāo)定聲彈 性系數(shù)；縱波、縱波和橫波相結(jié)合等方法。20 世紀(jì) 末使用臨界折射縱波測(cè)量得到了極大的發(fā)展并已成功 用于簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量。由于表面波聲速低、可隨 頻率變化，在探測(cè)不同表面深度的應(yīng)力變化方面，已 逐漸成為研究焦點(diǎn)。
目前超聲檢測(cè)殘余應(yīng)力的工程應(yīng)用主要為：鐵路工業(yè)中鐵軌車(chē)輪的應(yīng)力測(cè)量，建筑行業(yè)螺栓緊固應(yīng)力 的測(cè)量，制造業(yè)中焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量。其中，螺栓應(yīng)力測(cè)量最為成熟，而對(duì)焊接殘余應(yīng)力（復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)）的超聲波測(cè)量方法與設(shè)備仍處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和探索階 段，并未真正應(yīng)用于工程測(cè)量。
超聲波法作為結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)的重要方法，具有測(cè)量簡(jiǎn)便、快速、適合在線(xiàn)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)在應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題：
1）工件中聲速對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)非常小，通常兆帕級(jí)的應(yīng)力只引起聲速納秒級(jí)的變化，這樣對(duì)信號(hào)處理的 要求就非常高；
2）檢測(cè)過(guò)程中由于材料組織結(jié)構(gòu)( 特別是織構(gòu)、粗晶) 等原因會(huì)引起一定程度的織構(gòu)效應(yīng)?？棙?gòu)效應(yīng)
會(huì)引起聲速的波動(dòng)，這種波動(dòng)可能會(huì)超過(guò)應(yīng)力引起的聲速變化；
3）對(duì)于軋制鋼板等材料，不可避免的存在各向異性。這種現(xiàn)象對(duì)聲速的影響可能也會(huì)超過(guò)應(yīng)力對(duì)聲速 的影響，導(dǎo)致難以區(qū)分應(yīng)力狀態(tài)。
● 1.5.2 納米壓痕法
納米壓痕(nanoindentation) 技術(shù)又被稱(chēng)為深度敏感壓痕(depth sensing indentation) 技術(shù)， 是由 Oliver 等人提出并發(fā)展。該方法基于彈性接觸力 學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的加載、卸載曲線(xiàn)的分析不僅可以 得到硬度和彈性模量，而且可以得到諸如蠕變參數(shù)、 殘余應(yīng)力、相變和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等豐富的信息。
對(duì)于納米壓痕技術(shù)的研究方面，Bolshakov 等對(duì)鋁合金8009 進(jìn)行了納米壓痕試驗(yàn)和有限元分析，發(fā) 現(xiàn)硬度和彈性模量受殘余應(yīng)力影響不明顯，而接觸面 積對(duì)殘余應(yīng)力影響卻很敏感，由于接觸面積的測(cè)量存 在誤差較大。Swadener 等采用球形壓頭做實(shí)驗(yàn)，提出 用接觸壓力代替接觸面積來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力的模型，并 發(fā)現(xiàn)壓痕試驗(yàn)中采用球形壓頭測(cè)殘余應(yīng)力得出的結(jié)果 更為準(zhǔn)確。隨后，為克服上述模型僅適用于等雙軸應(yīng)力的缺點(diǎn)，Lee 等又提出了新的適用于非等雙軸表面 應(yīng)力模型。
通過(guò)納米壓痕法測(cè)量殘余應(yīng)力的理論模型均采用球形，圓錐形和棱形對(duì)稱(chēng)壓頭，并將殘余應(yīng)力假設(shè)為 等軸或不等軸的表面應(yīng)力，僅能測(cè)定平均殘余應(yīng)力的 大小，且殘余應(yīng)力的方向和每個(gè)方向上殘余應(yīng)力的大 小還無(wú)法確定。這些都阻礙了納米壓痕法測(cè)定復(fù)雜表 面殘余應(yīng)力的發(fā)展。
應(yīng)力的存在與應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因。研究材料的應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)下材 料的物理性質(zhì)，能夠預(yù)防工程應(yīng)用中可能出現(xiàn)的損壞 或失效。而對(duì)于有益的物性改變，加以合理的利用可 以增強(qiáng)材料的機(jī)械性能，因此分析材料的應(yīng)力分布及 應(yīng)力狀態(tài)下的物理性質(zhì)具有理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值， 應(yīng)力測(cè)試方法是實(shí)現(xiàn)這一價(jià)值的必要手段。目前，常 用的應(yīng)力測(cè)試方法有機(jī)械法、光測(cè)法、磁測(cè)法、衍射法、 超聲法及納米壓痕法。
2 常用應(yīng)力測(cè)試方法比較
傳統(tǒng)的應(yīng)力測(cè)量方法，如機(jī)械法、光測(cè)法、衍射法等，其優(yōu)勢(shì)在于理論體系完備，檢測(cè)方法成熟，可以精確測(cè)量構(gòu)件表面的主應(yīng)力大小與方向，給出應(yīng)力 分布圖，但檢測(cè)周期長(zhǎng)，對(duì)構(gòu)件表面光潔程度要求高， 大多采用接觸式測(cè)量方法，操作過(guò)程復(fù)雜。例如，機(jī) 械法對(duì)被檢測(cè)對(duì)象有破壞，只能逐點(diǎn)測(cè)量，精度受應(yīng) 變片柵長(zhǎng)限制；多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，需反復(fù)安裝應(yīng)變片，多 次調(diào)整檢測(cè)電路；光測(cè)法對(duì)光學(xué)元件及光路調(diào)整要求 較高，對(duì)被測(cè)件表面質(zhì)量要求也很高，并且受檢測(cè)設(shè)備的限制，許多工業(yè)結(jié)構(gòu)無(wú)法安裝光路；對(duì)于內(nèi)部結(jié) 構(gòu)不均勻的構(gòu)件，制造模型困難，難以應(yīng)用光測(cè)方法 分析應(yīng)力。因此，目前這些較為成熟的應(yīng)力定量檢測(cè) 方法都很難適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求，在應(yīng)用中可 將光測(cè)法與機(jī)械法相結(jié)合，可顯著提高應(yīng)力測(cè)量精度。 衍射法能對(duì)應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測(cè)，但儀器較大且 設(shè)備昂貴，不適合現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜條件下的應(yīng)力檢測(cè)。超聲 波法和納米壓痕法因其操作的簡(jiǎn)便性，而具有廣闊的 應(yīng)用前景，但超聲波法只能測(cè)試一定距離內(nèi)的平均應(yīng) 力，無(wú)法對(duì)單點(diǎn)做定量檢測(cè)，納米壓痕法的理論模型 尚不成熟，還有待做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
磁學(xué)應(yīng)力測(cè)試方法檢測(cè)時(shí)傳感器不需要緊貼在構(gòu)件表面，在一定的提離值范圍內(nèi)，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì) 受到影響，因此檢測(cè)對(duì)構(gòu)件表面狀況沒(méi)有嚴(yán)格的要求。 與其他檢測(cè)方法相比，具有操作簡(jiǎn)單，可進(jìn)行非接觸 檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，縮短了檢測(cè)時(shí)間，適合工業(yè)在線(xiàn)檢測(cè)的 需要，便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的快速自動(dòng)化檢測(cè)；但磁學(xué)應(yīng)力 測(cè)試方法的缺點(diǎn)在于信號(hào)產(chǎn)生原理復(fù)雜，定量檢測(cè)困 難，在內(nèi)應(yīng)力和磁化場(chǎng)作用下，構(gòu)件內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的 運(yùn)動(dòng)機(jī)理還沒(méi)有得到更好的解釋。目前主要通過(guò)實(shí)驗(yàn) 的方法，研究應(yīng)力場(chǎng)作用下構(gòu)件的各類(lèi)磁參數(shù)變化， 通過(guò)科學(xué)的假設(shè)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究構(gòu)件內(nèi)部磁疇運(yùn)動(dòng) 機(jī)理。目前，采用磁學(xué)方法檢測(cè)應(yīng)力主要應(yīng)用于定性檢測(cè)和定量化要求不高的場(chǎng)合，在檢測(cè)精度較高的時(shí) 候，常與其他檢測(cè)方法配合使用，該方法可以快速定 性的判斷構(gòu)件應(yīng)力狀況，找出應(yīng)力集中或危險(xiǎn)位置， 再進(jìn)行針對(duì)性的定量測(cè)量。表1 是各應(yīng)力檢測(cè)方法的 特點(diǎn)對(duì)比分析。
3 結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)力測(cè)量和狀態(tài)評(píng)價(jià)方法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)形成了各具特色的多種檢測(cè)技術(shù)，并廣泛應(yīng) 用于各個(gè)行業(yè)，成為現(xiàn)代工業(yè)安全保障和產(chǎn)品質(zhì)量控 制的重要手段。然而，無(wú)論是傳統(tǒng)的應(yīng)力測(cè)量方法， 還是新型的磁學(xué)、聲學(xué)應(yīng)力測(cè)試方法，在應(yīng)力的定量 檢測(cè)方面還存在一定難度，特別是隨著近年來(lái)現(xiàn)代工 業(yè)的快速發(fā)展和社會(huì)安全保障水平的提高，各行業(yè)各 領(lǐng)域?qū)?yīng)力測(cè)量和評(píng)價(jià)方法提出了更高的要求。為了提高應(yīng)力測(cè)量的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，兩種或兩種以 上檢測(cè)方法配合使用，成為當(dāng)前應(yīng)力測(cè)量和狀態(tài)評(píng)估 研究的一大發(fā)展方向。由此，尚需進(jìn)一步開(kāi)展的理論 和應(yīng)用研究工作包括：
1）測(cè)量效率與測(cè)量精度的矛盾問(wèn)題。測(cè)量方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的復(fù)雜性、便捷性、測(cè)量精度以及對(duì)被測(cè)量對(duì)象是否會(huì)造成損傷是工程實(shí)際適用性 評(píng)價(jià)主要考慮的因素，而現(xiàn)有的方法都難以同時(shí)滿(mǎn)足 快捷、準(zhǔn)確和無(wú)損測(cè)量的要求，如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和檢測(cè)方法的應(yīng)用領(lǐng)域選取多種方法進(jìn)行優(yōu)化組合，是 應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)方法今后應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)研 究方向。譬如，在承壓設(shè)備的殘余應(yīng)力測(cè)量和評(píng)估中， X 射線(xiàn)衍射法和金屬磁記憶法兩者組合大大提高了工 作的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)單一方法在量化精 度和評(píng)價(jià)速度上不能同時(shí)保證的矛盾。
2）量化測(cè)量方法的理論與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 傳感器技術(shù)和聲學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)等的應(yīng)用理 論研究，使得現(xiàn)有的聲學(xué)和電磁學(xué)應(yīng)力測(cè)量評(píng)價(jià)方法 得以突破原有的理論模型瓶頸，從而成為應(yīng)力測(cè)量和 評(píng)價(jià)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。其主要體現(xiàn)在：一是如何將材 料組織結(jié)構(gòu)的變化與應(yīng)力的關(guān)系量化和簡(jiǎn)化，進(jìn)而與 材料的聲學(xué)和電磁學(xué)性能關(guān)聯(lián)，以獲取高精度的測(cè)量 結(jié)果；二是進(jìn)一步發(fā)展高精度高敏感度的傳感器技術(shù)， 以捕捉應(yīng)力應(yīng)變引起的微弱的聲學(xué)或電磁學(xué)特征變化， 這為提高應(yīng)力測(cè)量精度和評(píng)價(jià)效果提供了重要的技術(shù)支撐。
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