科技视点[第31卷第12期 应力测试方法的现状及发展趋势 胡斌 (中国特种设备检测研究院北京100029) 摘要:应力和应力集中是承载部件和结构产生损伤的主要原因之一,应力的测量和状态评估是工业 生产中的重要组成部分。本文介绍了几种常用的应力测武方法,对其应用范围、检测效率和优缺点进行了 比较,并在此基础上探讨了目前应力测试技术存在的问题与未来发展方向 关键词:应力测试损伤状态评估测试技术 The Present Condition and the Developing Trend of the Stress Testing Methods (China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029) abstract Stress and stress concentration are the main reasons which cause the damage of the load bearing rts and structure. Stress measurement and stress condition evaluating is an important part of industrial production Several common stress testing methods are introduced in this paper; and the application scope, detection efficiency, advantages and disadvantages of these methods are compared. The problems of these current stress testing method are discussed and the future development directions are pointed out. keywords Stress testing Damage Condition evaluating Stress testing technology 中图分类号:X959 文献标识码:B 文章编号:1673-257X(2015)12-0001-09 DOI:10.3969j.isn.1673-257X.2015.12.001 工业生产中,应力与应力集中是管道、压力容器、1常用应力测试方法 涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发 生失效的主要原因之一。承载结构件由于加工制造、 应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失 焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下材 荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变,料的物理性质,能够预防工程应用中可能出现的损坏 尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强或失效。而对于有益的物性改变,加以合理的利用可 度和形状精度等产生较大的影响。如何对结构件进行以增强材料的机械性能,因此分析材料的应力分布及 应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域,快应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值 速有效的分析测定结构件重要部分的应力与应变分布应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前,常 实现对结构件的强度分析,同时评估结构件的使用状用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法 况和寿命实现早期诊断与监测,已成为亟需解决的问超声法及纳米压痕法。 题,也是近年来力学研究的主要方向。因此应力的测 量及其状态评估一直是国内外研究的热点 1.1机械法 ●1.1.1小孔法 小孔法于1934年由德国学者 J. Mather提出, 作者简介:胡斌(1977-),男,博士,高级并由 Soete发展完善,使其具有实用性。经过数十年 工程师,从事电磁无损检测技术工作。 的发展,美国材料试验协会(ASTM)于1981年颁布 (收稿日期:2015-10-28) 了钻孔测量法残余应力标准( ASTM E837-1981)
CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY 1 科技视点 第 3 1 卷 第 1 2 期 胡 斌 （中国特种设备检测研究院 北京 100029） 摘 要：应力和应力集中是承载部件和结构产生损伤的主要原因之一，应力的测量和状态评估是工业 生产中的重要组成部分。本文介绍了几种常用的应力测试方法，对其应用范围、检测效率和优缺点进行了 比较 , 并在此基础上探讨了目前应力测试技术存在的问题与未来发展方向。 关键词：应力测试 损伤 状态评估 测试技术 The Present Condition and the Developing Trend of the Stress Testing Methods Hu Bin (China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029) Abstract Stress and stress concentration are the main reasons which cause the damage of the load bearing parts and structure. Stress measurement and stress condition evaluating is an important part of industrial production. Several common stress testing methods are introduced in this paper; and the application scope, detection efficiency, advantages and disadvantages of these methods are compared. The problems of these current stress testing methods are discussed and the future development directions are pointed out. keywords Stress testing Damage Condition evaluating Stress testing technology 中图分类号：X959 文献标识码：B 文章编号：1673-257X(2015)12-0001-09 DOI: 10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.001 应力测试方法的现状及发展趋势 作者简介：胡斌 (1977 ～ )，男，博士，高级 工程师，从事电磁无损检测技术工作。 （收稿日期：2015-10-28） 工业生产中，应力与应力集中是管道、压力容器、 涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发 生失效的主要原因之一。承载结构件由于加工制造、 焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载 荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变， 尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强 度和形状精度等产生较大的影响。如何对结构件进行 应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域，快 速有效的分析测定结构件重要部分的应力与应变分布 实现对结构件的强度分析，同时评估结构件的使用状 况和寿命实现早期诊断与监测，已成为亟需解决的问 题，也是近年来力学研究的主要方向。因此应力的测 量及其状态评估一直是国内外研究的热点。 1 常用应力测试方法 应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失 效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下材 料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现的损坏 或失效。而对于有益的物性改变，加以合理的利用可 以增强材料的机械性能，因此分析材料的应力分布及 应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值， 应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前，常 用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、 超声法及纳米压痕法。 1.1 机械法 ● 1.1.1 小孔法 小孔法于 1934 年由德国学者 J.Mather 提出 [1]， 并由 Soete 发展完善，使其具有实用性 [2]。经过数十年 的发展，美国材料试验协会（ASTM）于 1981 年颁布 了钻孔测量法残余应力标准（ASTM E837—1981）
特设备安盒科技视点 并于2008年更新为 ASTM E83708,将其确定为孔偏心,标准回提出当钻孔中心与应变花中心的不重 一种标准化的测试方法。其基本原理是采用结构件表合度误差在(0.0040.02)D,且不可重复时,可对测 面钻孔的方式释放其表面应力,并用预先粘贴好的三试应力值进行修正 向应变片测量钻孔前后的应变松弛,通过应变片测量 ●1.1.2环芯法 材料应力释放前后的应变量,运用相应的应力学公式 环芯法由 Milbradt于1951年提出例,其原理与 计算出对应的主应力值及主应力方向。 小孔法相似,是在待测工件上贴应变花,并在应变花 根据钻孔是否钻通,小孔法可分为通孔法和盲孔周围铣一直径为D的浅环槽,将其中的环芯部分从工 法。根据钻孔方式不同,小孔法又可分为钻孔开孔法 件本体分离开来,残留在环芯中的应力同时被释放出 喷砂开孔法和高速透平铣孔法。其中钻孔开孔法是小来,最终将应变花测得的应变结果带入相应的应力计 孔法测试残余应力中最简单的开孔方式,目前在我国算公式,即可得到工件待测点的主应力及其方向,其 实际生产中已得到了广泛的应用,该方法测量方便,计算公式与小孔法相同。这种方法也属于局部破坏 操作简单,且设备便宜,但钻孔时孔壁受到钻头挤压测量方法,其破坏性比盲孔法大,但它的应变释放率 会发生塑性变形产生附加应变,影响残余应力测量精高于盲孔法,且可测量近表面一定深度范围内的残余 度。喷砂开孔法的特点在于开孔不受材料限制,加工应力分布,且测试精度比盲孔法高。目前已制定环芯 应变很小,测量精度高,但操作过程复杂,且不适用法测试汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的相关 于较软材料或有应力梯度构件的测试。高速透平铣标准叫,并在这两个领域得到广泛应用 孔法特点在于可在高硬度材料上铣孔,且加工应变很 环芯法测残余应力的误差主要来源于应变计灵敏 小,这是由于铣孔转速高、进刀量小以及可采用特殊系数、零点漂移误差和释放系数A与B的误差及铣刀 的倒锥型铣刀,同时高速铣平钻孔装置使用也非常方产生的加工附加应变。其中附加应变引进的误差可预 便。因此,高速透平铣孔法是发达国家应用较多的先标定,然后在测量时扣除,以达到减少误差的目的 小孔法残余应力测试方法,并且是美国标准ASTM对于释放系数A与B的标定,不同材料及不同的铣槽 E837—08推荐的小孔法钻孔方式之 深度需分别进行标定,标定方法可采用拉伸实验法和 综上所述,小孔法由于具有对构件破坏性小、测有限元法,有限元法标定系数与拉伸实验法的误差在 量精度较高、设备轻便且便宜等特点,在现场得到广±2%以内,由于有限元法更为经济简便,因此,推荐 泛应用,但在使用过程中应注意以下问题: 该方法进行释放系数标定。 1)释放系数A和B。释放系数受工件材料类型 厚度、所用应变片尺寸等因素的影响,因此对于不同1.2光测法 的使用条件需对释放系数分别进行标定。在弹性范围 ●1.2.1光弹性法 内,应变释放系数A、B均为常数。当孔边材料发生 光弹性法是将具有双折射效应的透明光弹性贴片 屈服时,塑性应变的数值随应力水平变化,这时需对粘贴在被测工件上并置于偏振光场中,当给工件加上载 释放系数进行分级处理 荷时,贴片上产生干涉条纹图。通过测量干涉条纹数目 通孔法应变释放系数可由 Kirsch理论解直接计算可确定工件在受载情况下的应力状态,工件应力梯度越 出,盲孔法应变释放系数则需用实验标定,近年来有大,干涉条纹越密集。由于光弹性法可以显示构件表面 研究将有限元法引入释放系数的标定中,证明有限元的应变场条纹图像,可研究复杂几何形状和载荷条件构 法能对释放系数进行有效标定,进而简化了释放系数件的应力分布状态,目前光弹性法广泛应用于建筑、复 标定的复杂度和难度 合材料等多个领域的实验测量和应力场分析 2)附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边 光弹性方法属于非接触测量方法,具有机械法不 塑性挤压,会产生附加应变。为消除其对测量结果的能达到的全场测量优势,既可测量表面应力,也可测 影响,可结合光学方法进行测量,其优点在于可进行量内部应力;且该方法能够清晰地反映应力集中部位, 全场测量,并可得到靠近孔周的残余变形信息。两者并可确定应力集中系数,但其不足之处体现在工艺较 相结合能使小孔法的测量精度显著提高。 复杂,测量周期比较长,需要将被测对象置于偏振光 3)钻孔偏心。在钻孔测量时,不可避免会产生钻环境中且光学系统相对复杂
2 CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY 科技视点 并于 2008 年更新为 ASTM E837—08[3]，将其确定为 一种标准化的测试方法。其基本原理是采用结构件表 面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴好的三 向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量 材料应力释放前后的应变量，运用相应的应力学公式 计算出对应的主应力值及主应力方向。 根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔 法。根据钻孔方式不同，小孔法又可分为钻孔开孔法、 喷砂开孔法和高速透平铣孔法。其中钻孔开孔法是小 孔法测试残余应力中最简单的开孔方式，目前在我国 实际生产中已得到了广泛的应用，该方法测量方便， 操作简单，且设备便宜，但钻孔时孔壁受到钻头挤压 会发生塑性变形产生附加应变，影响残余应力测量精 度。喷砂开孔法的特点在于开孔不受材料限制，加工 应变很小，测量精度高，但操作过程复杂，且不适用 于较软材料或有应力梯度构件的测试 [4]。高速透平铣 孔法特点在于可在高硬度材料上铣孔，且加工应变很 小，这是由于铣孔转速高、进刀量小以及可采用特殊 的倒锥型铣刀，同时高速铣平钻孔装置使用也非常方 便 [5]。因此，高速透平铣孔法是发达国家应用较多的 小孔法残余应力测试方法，并且是美国标准 ASTM E837—08 推荐的小孔法钻孔方式之一。 综上所述，小孔法由于具有对构件破坏性小、测 量精度较高、设备轻便且便宜等特点，在现场得到广 泛应用，但在使用过程中应注意以下问题： 1) 释放系数 A 和 B。释放系数受工件材料类型、 厚度、所用应变片尺寸等因素的影响，因此对于不同 的使用条件需对释放系数分别进行标定。在弹性范围 内，应变释放系数 A、B 均为常数。当孔边材料发生 屈服时，塑性应变的数值随应力水平变化，这时需对 释放系数进行分级处理 [6]。 通孔法应变释放系数可由 Kirsch 理论解直接计算 出，盲孔法应变释放系数则需用实验标定，近年来有 研究将有限元法引入释放系数的标定中，证明有限元 法能对释放系数进行有效标定，进而简化了释放系数 标定的复杂度和难度 [7]。 2) 附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边 塑性挤压，会产生附加应变。为消除其对测量结果的 影响，可结合光学方法进行测量，其优点在于可进行 全场测量，并可得到靠近孔周的残余变形信息。两者 相结合能使小孔法的测量精度显著提高 [8]。 3) 钻孔偏心。在钻孔测量时，不可避免会产生钻 孔偏心，标准 [6] 提出当钻孔中心与应变花中心的不重 合度误差在 (0.004~0.02)D，且不可重复时，可对测 试应力值进行修正。 ● 1.1.2 环芯法 环芯法由 Milbradt 于 1951 年提出 [9]，其原理与 小孔法相似，是在待测工件上贴应变花，并在应变花 周围铣一直径为 D 的浅环槽，将其中的环芯部分从工 件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出 来，最终将应变花测得的应变结果带入相应的应力计 算公式，即可得到工件待测点的主应力及其方向，其 计算公式与小孔法相同 [10]。这种方法也属于局部破坏 测量方法，其破坏性比盲孔法大，但它的应变释放率 高于盲孔法，且可测量近表面一定深度范围内的残余 应力分布，且测试精度比盲孔法高。目前已制定环芯 法测试汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的相关 标准 [11]，并在这两个领域得到广泛应用。 环芯法测残余应力的误差主要来源于应变计灵敏 系数、零点漂移误差和释放系数A 与 B 的误差及铣刀 产生的加工附加应变。其中附加应变引进的误差可预 先标定，然后在测量时扣除，以达到减少误差的目的[12]。 对于释放系数 A 与 B 的标定，不同材料及不同的铣槽 深度需分别进行标定，标定方法可采用拉伸实验法和 有限元法，有限元法标定系数与拉伸实验法的误差在 ±2% 以内，由于有限元法更为经济简便，因此，推荐 该方法进行释放系数标定。 1.2 光测法 ● 1.2.1 光弹性法 光弹性法是将具有双折射效应的透明光弹性贴片 粘贴在被测工件上并置于偏振光场中，当给工件加上载 荷时，贴片上产生干涉条纹图。通过测量干涉条纹数目， 可确定工件在受载情况下的应力状态，工件应力梯度越 大，干涉条纹越密集。由于光弹性法可以显示构件表面 的应变场条纹图像，可研究复杂几何形状和载荷条件构 件的应力分布状态，目前光弹性法广泛应用于建筑、复 合材料等多个领域的实验测量和应力场分析 [13-15]。 光弹性方法属于非接触测量方法，具有机械法不 能达到的全场测量优势，既可测量表面应力，也可测 量内部应力；且该方法能够清晰地反映应力集中部位， 并可确定应力集中系数，但其不足之处体现在工艺较 复杂，测量周期比较长，需要将被测对象置于偏振光 环境中且光学系统相对复杂 [16]
科技视点[第31卷第12期 ●1.2.2云纹干涉法 又可以检测微观缺陷,并预报潜在危险;检测时采用 云纹干涉法是上世纪80年代发展起来的一种现代非接触方法,不需要对被检测器件进行任何表面清理 光测力学方法,并且随着 D Post等研究者对云纹干或预处理;能实现在役设备的无损检测,无需专门的 涉法理论建设的完善以及试验设备的进步,该实验方磁化设备;设备轻便、操作简单、检测效率高(能达 法越来越成熟。其基本原理是将光栅粘贴在试件待测到100m/h以上) 面上,两束相干准直光以一定入射角对称入射到试件 金属磁记忆检测经过近20年的发展,虽然取得了 栅上,在试件表面法线方向上得到干涉条纹;当试件不少研究成果和检测经验,但仍存在许多需要解决的 受力变形后,试件栅随之变形,干涉条纹的级数和间问题,首先是机理尚不成熟,未形成一套系统严密的 距将发生变化,根据弹性力学的几何方程,可以计算理论体系;其次是打磨、环境磁场等外因素对磁记忆 出应变场及应力。 检测的影响有待进一步研究分析;对残余应力的定量 云纹干涉法的试件栅是栅线密度为600-1200化问题所做的研究较少则 线/mm的高密度衍射光栅,其灵敏度比传统云纹法高 ●1.3.2巴克豪森噪声法 出30-120倍。云纹干涉法的图形与光弹性实验相似 1919年德国科学家H. Barkhausen发现铁 但对模型材料没有光学性能要求且计算方法不同吗。磁体内可诱发出可测噪声信号,随后于20世纪逐 云纹干涉法与电测法不同之处在于光栅(贴片)的面积渐开发成一种新型无损检测技术,即巴克豪森噪声 大,计算点数多,能求出应变场。云纹干涉法具有高灵( Barkhausen noise,BN)技术。铁磁材料在磁化时 敏度、条纹质量好、条纹分辨率髙、大量程、实时观测会发生磁畴壁移动和磁畴内磁矩的整体转动,并且在 等优点,其应用越来越广泛,特别是在与小孔法、环芯磁滞曲线最陡的阶段发生磁畴的不可逆运动。外磁场 法等结合测试残余应力方法取得了良好的效果2 强度连续缓慢的变化,使得磁感应强度的变化产生不 连续跳跃,这将在试件表面的接收线圈中产生一系列 1.3磁测法 杂乱的电脉冲信号(即BN)。作用在铁磁材料中的 1.3.1金属磁记忆法 应力大小和方向不同,将影响巴克豪森噪声信号的强 金属磁记忆检测方法是20世纪90年代,以杜波弱。因此,可通过测量巴克豪森磁噪声的活性及各参 夫为代表的俄罗斯学者率先提出的铁磁金属材料诊断量来评估材料的应力状态。 检测技术。其原理是从铁磁金属表面拾取地磁场作 巴克豪森噪声发展相对成熟,国内外研究主要集 用下的漏磁场信息,处于地磁环境下的铁磁构件受载中在: 荷的作用,应力和变形集中区会发生具有磁致伸缩性 1)采用零点标定技术绘制MBN-应力标定曲线; 质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向。这种不可逆 2)把功率谱分析引入巴克豪森技术中,对MBN 变化在工作载荷消除后会保留下来,并在应力与变形信号强度进行定量分析 集中区形成漏磁场感应强度HP的变化,即HP的切向 3)应用人工神经网络技术,建立了MBN信号与 分量H(x)具有最大值,而法向分量HP(y)改变符号应力的对应关系; 且具有零值点,通过检测铁磁构件表面磁场分布情况, 4)将巴克豪森技术测量结果与传统残余应力测量 如磁场法向分量H(y)及梯度K=dHny)/dx等特征技术(如盲孔法和X射线衍射法)相比较,探讨其可 量,可对应力集中或缺陷进行准确推断以 行性和实用性 目前金属磁记忆法的主要应用于确定设备和构件 5)通过研究巴克豪森噪声与塑性应变的关系,来 的应力应变状态的不均匀性和应力集中区;将其与常评估残余应力。 规无损检测方法结合可减少检测成本、检测构件裂纹 巴克豪森信号作为一种新的铁磁性材料应力的无 (尤其是焊接裂纹);各种类型焊接的质量控制(包损检测方法,应用前景广阔,具有精度高、检测速度 括接触焊与点焊);通过构件的不均匀性对新生产和快等优点,但在检测过程中应注意以下问题n 在役机械制造产品实施快速分类等2 1)MBN测量需要校准,即将信号的测量值转换 金属磁记忆法是21世纪最具潜力的无损检测方为所测应力、硬度或缺陷的绝对值。MBN测量对材料 ,在实际应用中有诸多优点:既可以检测宏观缺 表面无特殊要求,但构件的表面粗糙度、氧化皮厚度
CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY 3 科技视点 第 3 1 卷 第 1 2 期 ● 1.2.2 云纹干涉法 云纹干涉法是上世纪 80 年代发展起来的一种现代 光测力学方法，并且随着 D.Post[17] 等研究者对云纹干 涉法理论建设的完善以及试验设备的进步，该实验方 法越来越成熟。其基本原理是将光栅粘贴在试件待测 面上，两束相干准直光以一定入射角对称入射到试件 栅上，在试件表面法线方向上得到干涉条纹；当试件 受力变形后，试件栅随之变形，干涉条纹的级数和间 距将发生变化，根据弹性力学的几何方程，可以计算 出应变场及应力。 云 纹 干 涉 法 的 试 件 栅 是 栅 线 密 度 为 600~1200 线 /mm 的高密度衍射光栅，其灵敏度比传统云纹法高 出 30~120 倍 [18]。云纹干涉法的图形与光弹性实验相似， 但对模型材料没有光学性能要求且计算方法不同 [19]。 云纹干涉法与电测法不同之处在于光栅（贴片）的面积 大，计算点数多，能求出应变场。云纹干涉法具有高灵 敏度、条纹质量好、条纹分辨率高、大量程、实时观测 等优点，其应用越来越广泛，特别是在与小孔法、环芯 法等结合测试残余应力方法取得了良好的效果 [20-22]。 1.3 磁测法 ● 1.3.1 金属磁记忆法 金属磁记忆检测方法是 20 世纪 90 年代，以杜波 夫为代表的俄罗斯学者率先提出的铁磁金属材料诊断 检测技术 [23]。其原理是从铁磁金属表面拾取地磁场作 用下的漏磁场信息，处于地磁环境下的铁磁构件受载 荷的作用，应力和变形集中区会发生具有磁致伸缩性 质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向。这种不可逆 变化在工作载荷消除后会保留下来，并在应力与变形 集中区形成漏磁场感应强度 HP 的变化，即 HP 的切向 分量 HP(x) 具有最大值，而法向分量 HP(y) 改变符号 且具有零值点，通过检测铁磁构件表面磁场分布情况， 如磁场法向分量 Hp(y)及梯度 K=dHP(y)/dx 等特征 量，可对应力集中或缺陷进行准确推断 [24]。 目前金属磁记忆法的主要应用于确定设备和构件 的应力应变状态的不均匀性和应力集中区；将其与常 规无损检测方法结合可减少检测成本、检测构件裂纹 （尤其是焊接裂纹）；各种类型焊接的质量控制（包 括接触焊与点焊）；通过构件的不均匀性对新生产和 在役机械制造产品实施快速分类等 [25-27]。 金属磁记忆法是 21 世纪最具潜力的无损检测方 法，在实际应用中有诸多优点：既可以检测宏观缺陷， 又可以检测微观缺陷，并预报潜在危险；检测时采用 非接触方法，不需要对被检测器件进行任何表面清理 或预处理；能实现在役设备的无损检测，无需专门的 磁化设备；设备轻便、操作简单、检测效率高（能达 到 100m/h 以上）。 金属磁记忆检测经过近 20 年的发展，虽然取得了 不少研究成果和检测经验，但仍存在许多需要解决的 问题，首先是机理尚不成熟，未形成一套系统严密的 理论体系；其次是打磨、环境磁场等外因素对磁记忆 检测的影响有待进一步研究分析；对残余应力的定量 化问题所做的研究较少 [28-30]。 ● 1.3.2 巴克豪森噪声法 1919 年 德 国 科 学 家 H. Barkhausen[31] 发现铁 磁体内可诱发出可测噪声信号，随后于 20 世纪逐 渐开发成一种新型无损检测技术，即巴克豪森噪声 （Barkhausen Noise，BN）技术。铁磁材料在磁化时， 会发生磁畴壁移动和磁畴内磁矩的整体转动，并且在 磁滞曲线最陡的阶段发生磁畴的不可逆运动。外磁场 强度连续缓慢的变化，使得磁感应强度的变化产生不 连续跳跃，这将在试件表面的接收线圈中产生一系列 杂乱的电脉冲信号（即 BN）。作用在铁磁材料中的 应力大小和方向不同，将影响巴克豪森噪声信号的强 弱。因此，可通过测量巴克豪森磁噪声的活性及各参 量来评估材料的应力状态 [32]。 巴克豪森噪声发展相对成熟，国内外研究主要集 中在 [33-34]： 1) 采用零点标定技术绘制 MBN- 应力标定曲线； 2) 把功率谱分析引入巴克豪森技术中，对 MBN 信号强度进行定量分析； 3) 应用人工神经网络技术，建立了 MBN 信号与 应力的对应关系； 4) 将巴克豪森技术测量结果与传统残余应力测量 技术 ( 如盲孔法和 X 射线衍射法 ) 相比较，探讨其可 行性和实用性； 5) 通过研究巴克豪森噪声与塑性应变的关系，来 评估残余应力。 巴克豪森信号作为一种新的铁磁性材料应力的无 损检测方法，应用前景广阔，具有精度高、检测速度 快等优点，但在检测过程中应注意以下问题 [35-37]： 1）MBN 测量需要校准，即将信号的测量值转换 为所测应力、硬度或缺陷的绝对值。MBN 测量对材料 表面无特殊要求，但构件的表面粗糙度、氧化皮厚度
特设备安盒科技视点 等对MBN信号都有影响。因此,校准样品要与被测术还有待完善。 构件的表面状况一致; ●1.3.4磁声发射法 2)目前常用的巴克豪森信号的产生是由于铁磁性 磁声发射( Magnetic Acoustic Emission,MAE 材料内部最小单元磁畴在外磁场的激发下错动产生的,法是1975年美国科学家Lord在用直流磁场作用镍 激励磁场强度、激励信号的频率等都会对巴克豪森信棒时,发现镍的磁畴壁运动产生超声波发射。随后, 号产生影响。因此,需选择合适的激励方式 Kanj和 Kusanagi等人相继做了许多试验,进一步证 3)巴克豪森信号的强弱不仅与材料的应力有关, 实材料在应力作用下产生的磁声发射信号强度比无应 还受到材料化学成分、金相组织、热处理及冷加工过力时所产生的磁声发射信号要低一些,认为该技术有 程的影响。因此,在测试前,要使用与被测试件化学可能成为无损检测构件残余应力和材料其它性能的新 成分、金相组织和热处理状态均相同的标准试件,测方法,并付诸了工业应用2。 出磁弹性参量与应力之间的对应关系后,才能将实测 磁声发射法的基本原理是,铁磁性材料内存在磁 值转换为应力值。 矩方向各异的磁畴,在外部磁场作用下,将产生磁畴 ●1.3.3磁应变法 的突然运动和磁化矢量的转动,在运动时相邻两磁畴 磁应变法的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸内磁致伸缩不一致而出现位移便引起MAE脉冲信号 缩效应,即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸的变化。反由于MAE信号强烈依赖于材料所受的磁化场和应力 之,当材料处于应力作用时,材料的磁导率也会发生相场。因此,可根据MAE强度值的变化来推测构件的 应的变化。测量时,在向磁各向异性传感器提供恒定的受力情况。 磁电动势的条件下,磁路中磁阻的变化将引起磁通的变 与传统的无损检测技术相比,磁声发射法检测技 化,而这种变化体现在传感器上检测线圈感生电动势的术具有可实现动态无损检测、检測深度大、检测灵敏 变化,从而将非电量的应力应变转化成可以测量的电量度高等优点,但目前磁声发射的研究尚处于起步阶段 (如电流、电压),达到测量应力状态的目的 一些问题尚需进一步深入研究 磁应变法的研究主要是基于采用不同的传感器设 1)如何消除钢的显微组织、成分、热处理状态以 计并建立其磁输出信号与实际应力应变之间定量的算法及所处的应力状态等对磁声发射的影响 关系。上世纪80年代前苏联、日本等国家,用U型探 2)现对材料在不同应力状态下的磁声发射特性研 赛支3图和夜器料线出来九头、某患中交中作处空白度、台 基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性进行应力测量 3)MAE测量有明显的尺寸效应。通常构件尺寸 的思想早已被提出,但真正实用化研究是近二十年的越大,测量值越小。要消除尺寸效应,需通过对大小 事,并且进展较为缓慢。在该方法的实际应用中主要不同试件的反复实验获得修正系数。 存在以下几个问题: 1)目前对材料的磁本质还没有一个完美的解释, 1.4衍射法 无法从微观角度为磁测法提供充分的理论依据 ●1.4.1X射线行射法 2)目前的磁应变法能快速有效的 试件的主 X射线衍射法是残余应力测定技术中无损检测方 应力差,但主应力σ1、σ2数值则需要借助边界条件法之一,是研究最为广泛深入且成熟的应力测定方法 以及切应力差法求解。在实际测量中,很难确定边界被广泛应用于科学研究和工业生产的各个领域中。Ⅹ 条件而且算法累积误差大,影响求解精度; 射线应力测定的基本原理是:当一束波长为A的射线 3)应力与磁导率在应力<300MPa时应力与磁导照射到多晶体上时,会在一定的角度上接收到反射的 率近似线性,当应力继续增大时,则呈非线性。因此,X射线强度极大值(即衍射峰)。其中,X射线的波长 磁应变法对高残余应力构件的测试方面还需做进一步衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从布拉格定律 的研究。 2dsin0=nA(m=1,2,3…) 4)数据处理过程中需对灵敏系数进行标定,目前 当应力引起晶格间距d发生变化时,衍射角2θ 比较完善的技术是单向应力标定法,二向应力标定技随之变化。所以要求晶面间距d的变化,只要测得衍
4 CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY 科技视点 等对 MBN 信号都有影响。因此，校准样品要与被测 构件的表面状况一致； 2）目前常用的巴克豪森信号的产生是由于铁磁性 材料内部最小单元磁畴在外磁场的激发下错动产生的， 激励磁场强度、激励信号的频率等都会对巴克豪森信 号产生影响。因此，需选择合适的激励方式； 3）巴克豪森信号的强弱不仅与材料的应力有关， 还受到材料化学成分、金相组织、热处理及冷加工过 程的影响。因此，在测试前，要使用与被测试件化学 成分、金相组织和热处理状态均相同的标准试件，测 出磁弹性参量与应力之间的对应关系后，才能将实测 值转换为应力值。 ● 1.3.3 磁应变法 磁应变法的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸 缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸的变化。反 之，当材料处于应力作用时，材料的磁导率也会发生相 应的变化。测量时，在向磁各向异性传感器提供恒定的 磁电动势的条件下，磁路中磁阻的变化将引起磁通的变 化，而这种变化体现在传感器上检测线圈感生电动势的 变化，从而将非电量的应力应变转化成可以测量的电量 （如电流、电压），达到测量应力状态的目的 [38]。 磁应变法的研究主要是基于采用不同的传感器设 计并建立其磁输出信号与实际应力应变之间定量的算法 关系。上世纪 80 年代前苏联、日本等国家，用 U 型探 头测定应力，目前已有二级探头、四级探头、九级探头、 三级探头等传感器和仪器被陆续开发出来 [39-40]。 基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性进行应力测量 的思想早已被提出，但真正实用化研究是近二十年的 事，并且进展较为缓慢。在该方法的实际应用中主要 存在以下几个问题 [41]： 1）目前对材料的磁本质还没有一个完美的解释， 无法从微观角度为磁测法提供充分的理论依据； 2）目前的磁应变法能快速有效的检测出试件的主 应力差，但主应力 σ1、σ2 数值则需要借助边界条件 以及切应力差法求解。在实际测量中，很难确定边界 条件而且算法累积误差大，影响求解精度； 3）应力与磁导率在应力＜ 300MPa 时应力与磁导 率近似线性，当应力继续增大时，则呈非线性。因此， 磁应变法对高残余应力构件的测试方面还需做进一步 的研究。 4）数据处理过程中需对灵敏系数进行标定，目前 比较完善的技术是单向应力标定法，二向应力标定技 术还有待完善。 ● 1.3.4 磁声发射法 磁声发射 (Magnetic Acoustic Emission，MAE) 法是 1975 年美国科学家 Lord 在用直流磁场作用镍 棒时，发现镍的磁畴壁运动产生超声波发射。随后， Kanji 和 Kusanagi 等人相继做了许多试验，进一步证 实材料在应力作用下产生的磁声发射信号强度比无应 力时所产生的磁声发射信号要低一些，认为该技术有 可能成为无损检测构件残余应力和材料其它性能的新 方法，并付诸了工业应用 [42-43]。 磁声发射法的基本原理是，铁磁性材料内存在磁 矩方向各异的磁畴，在外部磁场作用下，将产生磁畴 的突然运动和磁化矢量的转动，在运动时相邻两磁畴 内磁致伸缩不一致而出现位移便引起MAE脉冲信号。 由于 MAE 信号强烈依赖于材料所受的磁化场和应力 场。因此，可根据 MAE 强度值的变化来推测构件的 受力情况。 与传统的无损检测技术相比，磁声发射法检测技 术具有可实现动态无损检测、检测深度大、检测灵敏 度高等优点，但目前磁声发射的研究尚处于起步阶段， 一些问题尚需进一步深入研究 [44]： 1）如何消除钢的显微组织、成分、热处理状态以 及所处的应力状态等对磁声发射的影响； 2）现对材料在不同应力状态下的磁声发射特性研 究主要集中在中、低碳钢材料上，而对高强度、高合 金钢的磁声发射特性研究还处于空白； 3）MAE 测量有明显的尺寸效应。通常构件尺寸 越大，测量值越小。要消除尺寸效应，需通过对大小 不同试件的反复实验获得修正系数。 1.4 衍射法 ● 1.4.1 X 射线衍射法 X 射线衍射法是残余应力测定技术中无损检测方 法之一，是研究最为广泛深入且成熟的应力测定方法， 被广泛应用于科学研究和工业生产的各个领域中。X 射线应力测定的基本原理是：当一束波长为λ 的射线 照射到多晶体上时，会在一定的角度上接收到反射的 X射线强度极大值（即衍射峰）[45]。其中，X射线的波长、 衍射晶面间距 d 和衍射角 2θ 之间遵从布拉格定律： 2d sinθ=nλ (n=1，2，3……) 当应力引起晶格间距 d 发生变化时，衍射角 2θ 随之变化。所以要求晶面间距 d 的变化，只要测得衍
科技视点[第31卷第12期 射角20的变化即可。利用衍射角的变化,根据弹性析的独特优势是中子具有很强的穿透能力,对于大多 力学相关方程,可求出材料某一方向的应力大小。数工程材料而言,穿透能力在厘米量级,并能监视现 X射线衍射法最早由前苏联学者 Akcehob于1929实环境和加载条件下残余应力的演化,是测量较大体 年提出,1961年德国学者E. Macherauch提出sinv法,积固体材料内部残余应力的独特技术。 随后X射线衍射法引起各国学者的广泛关注并进行了 中子衍射测量残余应力的缺点是首先中子源的流 深入研究。欧盟标准委员会(CEN)于2008批准了新的强较弱,测量时间较长;其次中子衍射测量需要样品 X射线衍射残余应力测定标准EN15305-2008。同年,的标准体积较大,且空间分辨较差,通常为10mm3, 中国也颁布标准GB/T7704-2008;美国试验材料学是Ⅹ射线衍射的十分之一,因此,中子衍射不能测量 会(ASTM)于2010年发布了最新的X射线衍射残余应材料表层的残余应力,只有测量在距表面100μm及 力测定标准 ASTM E915-20107。 以上区域测量,中子衍射方法才具有优势。另外,中 X射线检测能成为目前最成熟且应用范围最广泛的子衍射残余应力测量受中子源的限制,衍射装置不具 测量结构表面残余应力的方法,其独特的优势在于网:有便携性,无法在工作现场进行实时测量倒,且中 理论成熟,测量精度高,测量结果准确可靠 源建造和运行费用昂贵,在一定程度上也限制了该方 与其他方法相比,X射线衍射法在应力测量的定性定法的商业应用 量方面可信度较高 2)通过X射线积分法、剥层法和多波长法可测1.5超声及纳米压痕法 量材料的三维残余应力; ●1.5.1超声波法 3)破坏性小,Ⅹ射线法基本实现对材料的无损 S. Okada于1940年提出应力引起的声双折射现象 检测。 1953年美国田纳西大学D.S. Hughes和J.L. Kelly根 但同时X射线衍射法测定残余应力也有其局限性 据有限变形理论,提出各向同性材料声弹性理论的早期 目前X射线衍射法检测普通碳钢材料的残余应力表达形式,最先建立了超声波在材料中传播时速度与应 已非常成熟,但对于铝合金、不锈钢、钛合金等存在力之间的关系,由此奠定了声弹性理论的基础。 大晶粒或织构组织的材料检测方法还不成熟。其次Ⅹ 目前超声波测量残余应力的方法有多种,其中声 射线测量深度只有10-30um,因此测试时对材料的表速测量法和频谱分析法是应用最广泛的两种方法。声 面处理非常严格,应避免使用可能削弱晶界或可能优速测量法是根据声弹性公式中构建的声速与应力的关 先腐蚀某个相的化学物质,因为它可能会导致局部应系,通过测量波速变化就可以计算出材料残余应力的 力松弛,推荐先使用砂轮或纱布将工件表面打磨光滑,大小,声速测量法主要有相位比较法、声时测量法 然后再用电解抛光去除机械或磨削加工时带入的表层临界角折射测量法等,其中声时测量法应用最为广泛。 附加应力。 频谱分析法测量应力的原理是:超声波横波受力时会 ●1.4.2中子衍射法 分解成传播速度不同的两束波而产生干涉效应,通过 中子衍射法应力分析始于20世纪80年代,是近测量接收信号的回波功率谱来计算应力值。 20年发展起来的一种无损测定残余应力的方法,可以 在应力测量中使用的波形有:横波双折射,优点 测定大体积工件的三维应力分布。中子衍射测量残余是波形对应力最敏感;SH波,优点是无需标定声弹 应力的基本原理与X射线应力测定方法相似,当波长性系数;纵波、纵波和横波相结合等方法國。20世纪 为K的中子束通过多晶材料样品时,对应晶面间距d,末使用临界折射纵波测量得到了极大的发展并已成功 在满足布拉格关系(λ=2dsinθ)的位置出现衍射峰 用于简单应力状态的测量。由于表面波声速低、可随 在应力的作用下晶面间距产生变化Δd,则衍射峰位置频率变化,在探测不同表面深度的应力变化方面,已 产生移动,通过测定这种移动获取材料的应力状态。逐渐成为研究焦点。 近年来,中子衍射测试技术多被应用于材料焊缝及周 目前超声检测残余应力的工程应用主要为:铁路 围热影响区的三维残余应力分布、宏观部件热加工 工业中铁轨车轮的应力测量,建筑行业螺栓紧固应力 热处理和机加工后残余应力的测量 的测量,制造业中焊接残余应力的测量。其中,螺栓 与常规X射线衍射相比较,中子衍射残余应力分应力测量最为成熟,而对焊接残余应力(复杂应力状态) 15
CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY 5 科技视点 第 3 1 卷 第 1 2 期 射角 2θ 的变化即可。利用衍射角的变化，根据弹性 力学相关方程，可求出材料某一方向的应力大小 [46]。 X 射线衍射法最早由前苏联学者 Akcehob 于 1929 年提出，1961年德国学者 E. Macherauch提出 sin2 ψ 法， 随后 X 射线衍射法引起各国学者的广泛关注并进行了 深入研究。欧盟标准委员会 (CEN) 于 2008 批准了新的 X 射线衍射残余应力测定标准 EN 15305—2008。同年， 中国也颁布标准 GB/T 7704—2008；美国试验材料学 会 (ASTM) 于 2010 年发布了最新的 X 射线衍射残余应 力测定标准 ASTM E915—2010[47-49] 。 X 射线检测能成为目前最成熟且应用范围最广泛的 测量结构表面残余应力的方法，其独特的优势在于 [50]： 1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确可靠。 与其他方法相比，X 射线衍射法在应力测量的定性定 量方面可信度较高； 2）通过 X 射线积分法、剥层法和多波长法可测 量材料的三维残余应力； 3）破坏性小，X 射线法基本实现对材料的无损 检测。 但同时 X 射线衍射法测定残余应力也有其局限性： 目前 X 射线衍射法检测普通碳钢材料的残余应力 已非常成熟，但对于铝合金、不锈钢、钛合金等存在 大晶粒或织构组织的材料检测方法还不成熟。其次 X 射线测量深度只有 10~30μm，因此测试时对材料的表 面处理非常严格，应避免使用可能削弱晶界或可能优 先腐蚀某个相的化学物质，因为它可能会导致局部应 力松弛，推荐先使用砂轮或纱布将工件表面打磨光滑， 然后再用电解抛光去除机械或磨削加工时带入的表层 附加应力。 ● 1.4.2 中子衍射法 中子衍射法应力分析始于 20 世纪 80 年代，是近 20 年发展起来的一种无损测定残余应力的方法，可以 测定大体积工件的三维应力分布。中子衍射测量残余 应力的基本原理与 X 射线应力测定方法相似，当波长 为 K 的中子束通过多晶材料样品时，对应晶面间距d， 在满足布拉格关系 (λ=2dsinθ) 的位置出现衍射峰。 在应力的作用下晶面间距产生变化 Δd，则衍射峰位置 产生移动，通过测定这种移动获取材料的应力状态 [51]。 近年来，中子衍射测试技术多被应用于材料焊缝及周 围热影响区的三维残余应力分布、宏观部件热加工、 热处理和机加工后残余应力的测量 [52]。 与常规 X 射线衍射相比较，中子衍射残余应力分 析的独特优势是中子具有很强的穿透能力，对于大多 数工程材料而言，穿透能力在厘米量级，并能监视现 实环境和加载条件下残余应力的演化，是测量较大体 积固体材料内部残余应力的独特技术。 中子衍射测量残余应力的缺点是首先中子源的流 强较弱，测量时间较长；其次中子衍射测量需要样品 的标准体积较大，且空间分辨较差，通常为 10mm3 ， 是 X 射线衍射的十分之一，因此，中子衍射不能测量 材料表层的残余应力，只有测量在距表面 100μm 及 以上区域测量，中子衍射方法才具有优势。另外，中 子衍射残余应力测量受中子源的限制，衍射装置不具 有便携性，无法在工作现场进行实时测量 [53]，且中子 源建造和运行费用昂贵，在一定程度上也限制了该方 法的商业应用。 1.5 超声及纳米压痕法 ● 1.5.1 超声波法 S.Okada 于 1940 年提出应力引起的声双折射现象， 1953 年美国田纳西大学 D.S.Hughes 和 J.L.Kelly 根 据有限变形理论，提出各向同性材料声弹性理论的早期 表达形式，最先建立了超声波在材料中传播时速度与应 力之间的关系，由此奠定了声弹性理论的基础 [54]。 目前超声波测量残余应力的方法有多种，其中声 速测量法和频谱分析法是应用最广泛的两种方法。声 速测量法是根据声弹性公式中构建的声速与应力的关 系，通过测量波速变化就可以计算出材料残余应力的 大小，声速测量法主要有相位比较法、声时测量法、 临界角折射测量法等，其中声时测量法应用最为广泛。 频谱分析法测量应力的原理是：超声波横波受力时会 分解成传播速度不同的两束波而产生干涉效应，通过 测量接收信号的回波功率谱来计算应力值 [55]。 在应力测量中使用的波形有：横波双折射，优点 是波形对应力最敏感；SH 波，优点是无需标定声弹 性系数；纵波、纵波和横波相结合等方法 [56]。20 世纪 末使用临界折射纵波测量得到了极大的发展并已成功 用于简单应力状态的测量。由于表面波声速低、可随 频率变化，在探测不同表面深度的应力变化方面，已 逐渐成为研究焦点。 目前超声检测残余应力的工程应用主要为：铁路 工业中铁轨车轮的应力测量，建筑行业螺栓紧固应力 的测量，制造业中焊接残余应力的测量。其中，螺栓 应力测量最为成熟，而对焊接残余应力（复杂应力状态）