应力测试技术行业研究报告(最新技术大全)

应力检测技术行业研究报告
2020年12月
目录
第一章应力检测相关概述 (3)
1.应力检测适用范围 (3)
2.应力本质 (4)
第二章应力检测技术分类及比较 (5)
1.有损检测技术 (5)
1.1小孔法 (5)
1.2环芯法 (7)
1.3剥层法 (8)
2.无损检测技术： (8)
2.1电学方法 (8)
2.2声学方法 (10)
2.3基于矫顽力与剩磁的铁磁性材料应力测量 (12)
2.4放射性辐射学方法 (16)
2.5光纤传感检测技术 (19)
2.6巴克豪森噪声分析（简称B.N.A） (21)
2.7振弦式应力测量 (23)
2.8磁学方法 (26)
2.9新型应力检测方法 (28)
3.常用应力测试方法比较 (29)
第三章应力测量的的研究展望 (33)
参考文献 (35)
第一章应力检测相关概述
应力检测包含对工件表层应力检测，一定深度的应力检测，对应力进行定性定量的分析。

常常用在产品生产过程中质量检测，还有根据应力分布的情况进行工艺的改进，涉及的应力有机械加工应力、铸造应力、焊接应力、3D打印应力、冷加工应力等。

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，尤其会对承载构件的力学性能、耐腐蚀性能、疲劳强度和形状精度等产生重大影响。

如何对其构件进行应力测试、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的诊断与检测，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式国内外研究的热点。

残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。

1.应力检测适用范围
①机械工程及制造设备。

起重机、挖掘机、水泥泵车等工程机械的力臂等部位的应变应力、位移测试油缸的压力、位移、温度、应变应力综合测试机床导轨的残余应力测试。

②高铁、汽车、轮船等交通设备。

发动机、减速机的压力、温度、应变应力综合测试车体、轮轴、高压输电弓等部位的应变应力测试。

③电力、动力工程。

电厂设备的强度测试，如核电站安全壳整体强度测试水轮机轴及叶片的应变应力测试蒸汽管道受热后的应变应力、温度、压力综合测试。

④土木建筑及水利工程。

建筑结构静态应变应力测试大型体育场馆的钢结构屋顶在拆除安装支架时的应力监测。

⑤桥梁和道路。

大型钢结构桥梁的静载强度试验和道路涵隧工程结构应力测试。

⑥材料参数测定。

各种金属材料的弹性模量、泊松比、残余应力释放系数A和B等参数测定。

⑦冶金、石油、化工。

钢锭模表面热应力测试油罐、压力容器、管道的压力、应变应力测试。

⑧适合各种金属材料、塑料、橡胶等材质进行应力检测，使用场合可以室内可以室外，满足质量检测或者紧急问题的施工处理。

2.应力本质
一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。

在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。

产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。

如金属合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力,机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态,所以零件产生变形。

当零件刚性较大,形状对称时,变形较小。

反之,则变形十分明显。

在工件内部实际应力的情
况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。

第二章应力检测技术分类及比较
应力检测的方法有无损检测和有损检测。

目前市面上主要以无损检测为主：主要有电阻应变计法、超声波法、矫顽力应力测量法、衍射法、光纤传感器测应立法、巴克豪森噪声测应力法、振弦式应力测量、磁学法等，有损检测有主要有小孔法、环芯法小孔法检测属于比较精准的检测方式，利用了应变片压变效应，在经过专门的分析软件将获得应变参数转化为应力参数进行输出。

1.有损检测技术
有损检测法主要有钻孔法、取条法、切槽法、环芯法、剥层法、剖面法与裂纹法，目前应用最多的是钻孔法和环芯法，该方法是部分或全部的去掉测点周围的材料组织即去掉了对该点的约束，使应力全部或部分释放。

实际操作中是将欲测构件，利用机械加工的方法(如钻孔等)，使其因释放部分应力而产生相应的位移与应变，盆测这些位移或应变.经换算，得知构件加工处原有的应力。

因此，这种测试方法又称为机械侧试法或应力释放法1。

1.1小孔法
小孔法于1934年由德国学者J.Mather提出，并由Soete发展完善，使其具有实用性。

经过数十年的发展，美国材料试验协会
1Titto e of Barkhausen effect in testing for residual stresses and materialdefects[J]. Non-destructive Testing-Australia,1989,26(2):36～41
（ASTM）于1981年颁布了钻孔测量法残余应力标准（ASTME837—1981）2，并于2008年更新为ASTME837—08，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，计算公式如下：
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。

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，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
2(日)米谷茂.残余应力的产生和对策[M].北京:机械工出版社，1983
分级处理。

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。

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。

3)钻孔偏心。

在钻孔测量时，不可避免会产生钻孔偏心，标准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。

1.2环芯法
环芯法由Milbradt于1951年提出3，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。

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，并在这两个领域得到广泛应用。

3王卫锋，韩大建，罗文结.一种新的残余应力测试方法研究[J].华南理工大学(自然科学版),2001，28(1):91～95
1.3剥层法
其工作原理为：当从含有残余应力的平板上去除一层材料时，其内部残余应力将不再平衡，当它重新平衡时将导致平板变曲，平板弯曲的曲率取决于被去除掉的那层材料的原来的残余应力分布和遗留部分材料的弹性性能。

通过逐层去除并测量其去除后的曲率，平板的原始残余应力分布就可通过计算得到，常用于测定几何形状简单的试件的残余应力，测试过程快捷。

剥层法仅适合于平板类样品，可用于测量内部宏观残余应力，但不能用于表面应力或近表层内力的测量。

2.无损检测技术：
在检测技术中，无损检测技术是比较常用的手段之一，它主要是运用电学、磁场、超声波、光纤技术测量和射线等方法，检查对象的各个部分是否还要不足的一种方法。

2.1电学方法
电测法主要有电阻应变计法、电容应变计法、电感应变计法，电测应力法优点：测量精度高，量程大（应变仪上所读出的最大应变值），灵敏度高（应变仪上所读出来的最小应变值，一般应变片：1微应变）标距（任何类型的应变计都不能测出一点的应变）（箔式应变片：0.2毫米），半导体应变片：0.1微应变。

测量范围：±20000（微应变）对高灵敏度测量系统可测取10-2量级的微应变应变片尺寸小，重量轻，安装方便，对试件的工作状态和应力分布影响很小频率响应快，机械滞后小可在恶劣环境下测量（如高速、高温、低湿、深水、强磁场、核辐射）自动化程度高，可以实现遥控测量。

2.1.1电阻应变计法
电阻应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电阻变化的变换器，一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层构成。

将电阻应变计固定安装在构件表面。

构件受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使电阻应变计产生电阻变化，其变化率和电阻应变计
所在处构件的应变成正比。

根据测量到的电阻变化，可以按照规定的公式计算出该处构件表面的应变，从而计算出相应的应力。

按敏感栅材料的不同，电阻应变计主要分为金属电阻应变计和半导体应变计两大类，此外还有薄膜应变计、压电场效应应变计和各种不同用途的应变计，如温度自补偿应变计、大应变计、应力计、测量残余应力变化的应变计等。

工作原理：将电阻片牢固地粘贴在构件表面，构件变形连同应变片一起变形，应变片的变形产生了电阻的变化，通过测量电桥（电阻应变测量装置或电阻应变仪），使这微小的电阻变化转换成与应变成正比的模拟信号（电压或电流）的变化，经过信号放大，将其变换成构件的应变值显示出来。

2.1.2电容应变计法
电容应变计原理：电容应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电容变化的变换器。

电容应变计固定安装在构件表面，构件受载荷作用发生变形时，两电容极片间距随之变动，引起电容变化。

根据测量到的电容变化，可以按照规定的公式算出计算出该处构件表面的应变。

电容应变计有弓形、平板式和杆式等类型，多用于发电厂的高温管道、高温设备或核能设备的长期高温应变测量，监视裂纹的形成和发展，以及对航空航天构件材料进行高温性能测试等。

2.1.3电感应变计法
电感应变计原理是一种使用电感探头对混凝土结构内部应变进行测量的装置，称为电感式应变仪。

电感探头被预先埋入到被测混凝土构件中并与混凝土构件外的信号处理器连接。

电感探头的结构包括两个受动圆盘、安装在其中一个受动圆盘内侧的电感线圈、与另一个受动圆盘通过细杆连接的导磁体、薄壁钢套管和引出导线。

外接的信号处理器采用交流电桥方式进行信号提取。

这种电感应变仪可以精确测定混凝土结构内部的应变，适合于对结构物内部应力的长期检测。

2.2声学方法
应用声学方法测量结构件与零部件内部应力最常用的是超声应力测量方法，其最主要依据的物理原理是声弹性效应。

超声波在金属材料中传播时，在有内应力存在的区域，其传播速度会随应力大小和方向的不同而发生传播速度的改变，这种现象称为声弹性现象。

如果材料中存在的是压缩应力，则因为材料的弹性模量变大，能使声速增加，而如果材料中存在的是拉伸应力，则因为材料的弹性模量变小，能使声速减少。

超声传播速度变化与同方向的应力大小有近似线性的对应关系，如果能确定一定能量的超声波在金属材料内传播速度的变化与内应力大小之间的对应规律，就能通过测量超声波的传播速度来得到内应力值。

利用这种特性来测量例如混凝土预应力构件的内应力并据此判定其强度、金属结构件或零部件（例如焊接结构的焊缝、铁路路轨、管道）中的内应力和残余应力、紧固螺栓上的拉伸应力并据此确定紧固力是否妥当等。

特别是测量对被检工件安全性影响最大的拉应力，因为例如压力容器和管道的表面张力最容易引起破裂失效4。

根据应用超声波型的不同，超声法测定残余应力又可分为：临界折射纵波法（即在第一介质中入射角达到第一临界角附近时，在第二介质中激发的折射纵波，靠近表面，也称为爬波）、反射纵波法（例如螺栓紧固力测量）、声双折射法、表面波法、电磁超声法、激光超声法。

目前已发布的相关国家标准有GB/T32073-2015《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》。

应当注意的是超声应力测量方法主要应用于大范围体积内应力的测量，难以获得局部残余应力的大小与状态分布，并且影响测量结果准确性的主要因素与环境温度、材料成分（材料牌号与冶炼炉批号）与热处理状态、显微组织状态、材料的各向异性、探头与构件之间的声耦合等密切相关，而且需要制作与
4范雄.金属X射线学[M].北京:机械工业出版社，1994
被检工件材料相同的零应力校准试样作标定试验。

如果结构内同时存在多方向、多模式的内应力时，超声测量应力的结果会出现复杂的变化，这是需要有清醒的认识的。

2.2.1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5，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。

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。

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。

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。

超声波测定残余应力有很多优点：①能无损测定实际构件的表面应力和内部应力②可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害③超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，特定条件下可一机多用。

但是目前超声波法仍处于试验研究阶段，还存在许多问题：①测定的结果要受到材料性能、工件形状和组
5蒋刚，谭明华，王伟明，何闻.残余应力测量方法的研究现状[J].机床与液压，2007，
35(6):213-220.
织结构的干扰较大②同时测量应力急剧变化、形状复杂和受三向应力的实际构件时还存在许多问题③声波波长太长，利用干涉法目前还难实现，测量的灵敏度较低为了测定介质中的声速变化，必须用高灵敏度的设备和仪器来测定，测定过程比较烦琐。

超声波法作为结构内部残余应力无损检测的重要方法，具有测量简便、快速、适合在线检测等优点，同时在应用中也存在一些问题：1）工件中声速对应力的响应非常小，通常兆帕级的应力只引起声速纳秒级的变化，这样对信号处理的要求就非常高
2）检测过程中由于材料组织结构(特别是织构、粗晶)等原因会引起一定程度的织构效应。

织构效应会引起声速的波动，这种波动可能会超过应力引起的声速变化
3）对于轧制钢板等材料，不可避免的存在各向异性。

这种现象对声速的影响可能也会超过应力对声速的影响，导致难以区分应力状态。

2.3基于矫顽力与剩磁的铁磁性材料应力测量
铁磁性材料具有极佳的机械特性，是石油工业领域中使用最为广泛的材料之一。

石油各种设备通常选用低碳钢制作，随着时间的积累，服役设备不可避免地出现疲劳失效，疲劳失效的部位通常出现在应力集中区域。

在应力集中区域，设备局部所承受的应力往往是正常情况下的数倍甚至数十倍，极易发生疲劳，变形和腐蚀加速，严重会发展成为裂纹，从而引发设备断裂。

现阶段，常规的电磁无损检测方法只能针对铁磁性材料的断裂，破损等宏观应力缺陷进行检测，对其在应力作用下微观组织变化的检测效率低下。

铁磁性材料在外加交变的磁场下，铁磁性材料在正向磁场下从初始状态逐渐磁化至饱和状态的过程称为磁化过程，施加反向磁场铁磁性材料从饱和状态退回为无磁性状态的过程称为反磁化过程。

当外加磁场变化一整个周期，磁感应强度随磁场
强度变化而形成一条闭合的曲线称为磁滞回线。

磁滞回线上反映的
磁特性参数能灵敏地反应铁磁性材料的微观组织结构。

针对铁磁性
材料受力易发生形变的问题，本文设计开发了基于U型磁轭的铁磁
性材料磁参数采集系统，利用电磁检测技术采集被测受力试件的磁
滞回线并计算矫顽力，剩磁参数，完成对铁磁性材料受力的早期安
全评估。

如图1所示，磁感应强度随外加磁场变化滞后于初始磁化曲线，外加磁场变化一个周期，磁感应强度变化形成磁滞回线。

从磁滞回线可以得到表征材料磁滞性能的重要参数，剩磁为磁场强度为0时对应的磁感应强度Br，矫顽力为磁感应强度为0时对应的磁场强度HC。

铁磁性材料受到应力作用时，通过测量材料本身矫顽力与剩磁的大小，即可间接测量材料所受应力大小及应力分布，达到应力应变的检测功能。

铁磁性材料磁畴结构如图2所示，在外磁场作用下，应力能会使材料的磁化强度发生取向的改变因而会使磁感应强度发生变化曰畴壁能即畴壁发生移动而产生的能量，应力阻碍畴壁移动使畴壁能发生改变，畴壁的不可逆移动与材料的磁化特性参数相关，因此应力会通过影响畴壁能而改变磁化特性
在U型磁轭上缠绕激励线圈和检测线圈构成磁测探头，放置于被测试件表面与被测区域形成闭合回路，测量原理如图3所示。

在激励线圈中施加交变的激励电压，闭合磁路会
产生交变的磁场，当铁磁性试件受到应力的作用，通过检测线圈的磁通量会发生变化。

根据电磁感应原理，检测线圈将磁回路中产生的电磁感应信号转化为电压信号，磁通量变化会引起感应电压的变化，激励电压变化一个周期，可由磁场强度对应的激励电压和磁感应强度对应的磁感应电压描绘出完整的磁滞回线，通过采集磁滞回线的磁特征参数，即可得到试件所受应力与矫顽力，剩磁的关系。

试件受应力作用后，内部磁畴排列改变，导致磁回路的磁通量发生改变，图3的等效磁回路方程可表示为
经理论分析，磁场强度正比于流过检测线圈的电流强度，感应
电压与磁通量的微分呈正比关系，对感应电压进行积分，并对激励
电流与感应积分电压双路同步采集，即可得到磁滞回。

被测试件从正常部位到断裂处靠近，矫顽力的数值不断增大，说明随着试件所受应力的损伤程度增加，矫顽力对试件受应力产生损伤性形变有很好的检出性，剩磁随着向断裂处不断靠近，数值会先增
加，到断裂处后，剩磁数值减小。

根据这两个数据的变化可对受力产生不可逆损伤的材料进行受力分析6。

2.4放射性辐射学方法
2.4.1X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。

图：受力物体表面上的力
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）。

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：
2dsinθ=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。

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，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EN15305—2008。

同年，中国也颁布标准
6蒋刚，谭明华，王伟明，何闻.残余应力测量方法的研究现状[J].机床与液压，2007，
35(6):213-220.。