残余应力无损测试技术

很大的进展。快速、无损地测定材料和工件中的残余应力，始终为很多研究工作者所重视，并为之 做出了很多不懈的努力。 在各种无损测定残余应力的方法之中，Ｘ射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟， 方法完善，经历了七十多年的不断发展，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著的
成果。
随着微电子技术和计算机技术的发展，Ｘ射线衍射分析，无论测试方法或测试仪器都将日臻完 善，测试数据更加准确可靠，从而为人们更深刻地认识残余应力提供更完备的手段，促进残余应力 分析技术的发展。随着我国工业高速发展，由残余应力引起的问题将更为突出，而表面工程等技术 的研究在国内也是方兴未艾，准确的残余应力测量对它们来说是十分关键的。可以预计，无损应力 测量及残余应力的研究在促进我国：［业现代化的进程中必将火有作为。
余压应力，可以显著提高构件的疲劳强度。 因此，材料残余应力准确、快速的无损测量技术对残余应力的利用或防治具有非常重要的意义。 残余应力的测量和研究日益获得人们的重视。在欧洲已定期召开关于残余应力的国际会议，在我国， 近年也发表和出版了一些关于残余应力测试的论文和书籍。
３７
１．残余应力的产生 残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系‘３１。所以，残余应
力是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均匀的弹塑性变形的结果，或者说是材料的弹性各向异性 和塑性各向异性的反映。 材料及其制品在通常的机械加工或合金化过程中产生的残余应力，往往是变形、温度变化和相 变引起的残余应力的综合结果。各种：［艺参数和机件的几何形状、尺寸大小等对每种工艺过程产生 的残余应力有着错综复杂的影响，具体问题必须具体分析‘４￣６】。
Ｎｏｎ．ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ
ＬＩＵ Ｙａｎｐｉｎｇ，ＳＩ Ｙｏｎｇｍｉｎ
（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｄｅｆｅｎｓｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ
４１００７３，Ｈｕｎａｎ，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ ｒａｄｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ
ｏｒｌ
ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｅ／ｐｏｌｙｍｉｄｅ
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ห้องสมุดไป่ตู้ａｎｄ
ｐｅｒｄｉｃｔｉｏｎ
ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｓｓｅｓ
ｉｎ
ｃａｒｂｏｎ－ｆｉｂｒｅ／ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，５７（１ １）：１４４５～１４５５
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Ｔ。Ｌｉｂｅｒ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｍｉｎａｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ｓｔｒｅｓｓ．
ａｓ ａ
ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ
ＳＯ
ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ Ｏｎ Ｘ—ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｎｅｕｔｒｏｎ
ｏｎ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｅ，ｗｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ Ｘ—ｒａｙ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ．
中子衍射法以中子流为入射束，其测定残余应力的基本原理与Ｘ射线衍射法相类似【９，１０，１４】，也 是根据衍射峰位置的变化求出残余应力。由于中子不带电，不与原子核周围的电子发生相互作用，
只有与原子核碰撞时才会改变运动方向。因此，对大多数材料具有较强的穿透能力，可以用来描述 残余应力沿厚度的变化情况。 ２．３同步辐射
参考文献
１Ｊ １Ｊ
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ｎ口ｐ １Ｊ
２。无损测试方法
材料及其制品的宏观残余应力无损测试方法主要包括：Ｘ射线衍射、中子衍射、同步辐射等一些 方法。其中，×射线衍射、中子衍射、同步辐射这三种方法测试的基本原理相同，下面分别加以介绍。
２。１
Ｘ射线衍射法 ｘ射线衍射法【７，８１是材料残余应力无损测试中最常用的方法之一。在弹性范围内，因为宏观残余
１８７～１８９
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降 １Ｊ
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利用同步辐射源Ｘ射线衍射技术，同样可以测定复合材料残余应力【１５～１８】。其中同步辐射光源
具有强度高、亮度大、束斑小、准直性高及发散角小等特点，因此可获得高分辨率、高精度的衍射
数据。表１对以上三种利用衍射测量残余应力的方法进行了比较。 表１残余应力测试技术比较
Ｘ射线衍射法一般适用于具有良好晶体结构的材料。当晶粒尺寸很小或材料成分分布不易预测
残余应力无损测试技术
刘彦平斯永敏
（国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙４１００７３）
摘要：本文概述了残余应力无损测试中通常使用的Ｘ射线衍射、中子衍射和同步辐射等一些方法， 通过比较确定ｘ射线衍射法作为材料残余应力测试的主要方法。最后，指出了材料残余应力无损测
试技术的发展方向。
关键词：残余应力；ｘ射线衍射；中子衍射
到人们的重视，其测量技术如超声波等方法已比较成熟【１】。对于某些构件，其安全性与残余应力也
有相当重要的关系。实践证明，残余应力直接影响金属制品的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳
定性和使用寿命心１。如在石化工业中，大量的事故就是由于构件表面存在很大的残余拉应力，加速
了表面腐蚀引起的。此外，残余应力对构件的疲劳强度也有重要的影响。适当地在材料表面产生残
方法。但是，该方法对设备的要求很苛刻，这使它在实际的应用中受到一定程度的限制。
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２．４其他方法 磁性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 变化【３，４】。反过来铁磁体在应力的作用下其磁化状态也会发生变化，这样通过测量磁性变化可以测 定铁磁材料中的应力。磁性应变法只能应用于铁磁性材料，在应用磁性应变法测定残余应力时，应 力与磁导率在应力小于３００ＭＰａ时才近似于线性，应力再增大，呈非线性。因此磁应变法不宜用来 测定存在过高的残余应力的构件。 超声法是一种颇具发展潜力的方法，通过超声波在材料内部的传播特性，利用应力引起的声双 折射效应测量出超声传播路径的平均应力。在实际的测量过程中，超声法要求有精密的测量声速的 仪器和高超的测量技术，还需要制作一个无应力的与实际工况十分接近的标样来获得必须的材料声
际的残余应力测试过程中，我们利用德国ＢＲＵＫＥＲ公司生产的Ｄ８．ＡＤＶＡＮＣＥ型Ｘ射线衍射仪，对陶瓷基
复合材料试样做了从１０。到１５０＂的ｘＲＤ扫描，发现在幻≈１３３。处有一个较强的衍射峰，于是就选定这
个角度为衍射角，并且采用Ｘ射线衍射法残余应力测定中常用的Ｔｏｐａｓ软件拟合衍射峰的位置。因为
此处的衍射强度相对较弱，所以在扣≈１３２～１３４。范围内采用慢扫描来精确的测定衍射峰的位置：
弹性特征值，这些条件都很难满足。因此，超声法测定残余应力至今尚处于实验室阶段，很少用与
现场实测【３～５】。
３．测试方法的选择 综合比较上述各种残余应力测定方法，ｘ射线衍射法具有设备简单、射线来源方便经济等优点。
因此，我们一般选择Ｘ射线衍射法作为材料残余应力测试的主要方法。 因为在Ｘ射线衍射法残余应力测定实验中，所选取的衍射角２ｅ越大，其测量的精确度越高。在实
Ｏ，而该方向的应变占３≠０。
ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力∥≯，当材料各向同性时，
乞＝叫ｑ＋乞）＝｛（ｑ＋呸）
此时￡３可由平行于表面的某晶面（ｈｋｌ）间距ｄ值的变化而测得。
（１）
利用弹性力学理论可以求出‰的
‰一南ｃｏｔ岛高（盏）
３８
式中石习ｃｏｔｏｏ丽为黻定义龇式（２）实质为一直线勰斜率为面，可用
１Ｊ １Ｊ １Ｊ
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子衍射测定较小试样时将产生较大误差：第三，中子衍射法测定的仅是材料内部的平均残余应力。
因此，中子衍射法仅是测定材料内部残余应力的有效手段。 基于同步辐射的Ｘ射线衍射法不仅能够测定材料内部的残余应力，而且还可以确定残余应力场
梯度，具有普通Ｘ射线衍射法和中子衍射法所无法比拟的优越性，是测定材料内部残余应力较理想的
内应力引起的应变可通过晶体中某一品面簇的晶面间距变化来表示，而此变化必然导致相应的ｘ射线 衍射峰的位移，这是用×射线衍射法测定宏观应力的理论基础。
图１受力物体表面上的应力
由于×射线对试样的穿透深度一般为１０～３０ｕｍ，它所记录的仅是工件表面应力［ｉｏ～１２１。这种
２
表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的应力分量∥３
ｐｏｉｎｔ
ｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ
ｎｏｎ・ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；
ｎｅｕｔｒｏｎ
ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ
引言
材料内部缺陷如裂纹、气孔等直接影响构件的安全性和寿命，如何无损的测量这些缺陷一直受
时，会导致衍射峰值变宽，影响测试精度；×射线在材料中的穿透深度由其波长和材料的性能决定，
通常约为１０．３０９ｍ，如此弱的穿透能力大大限制了该方法的应用范围［１９－－一２２】。因为实际测试时它的 入射角的范围、量值和精度等在很大程度上受到入射深度的影响。此外，残余应力沿厚度变化等因 素也给测试结果造成误差。 与Ｘ射线衍射法相比，中子衍射法可以测定材料内部的残余应力，而且适于对大块试样进行测定， 具有很大的优越性。但是，中子衍射还存在明显的不足。首先，测量用中子源获得比较困难，一般 需要一个核反应堆及相关的防护、测量装置，通常很难得到：其次，中子的衍射区域较大，当用中
每步Ｏ．０１。，间隔ｌＯｓ。通过采用上述方法，残余应力测定的精确度得到了很大的提高，获得了较为理 想的测试结果。
４．展望
残余应力对材料和工件性能的影响，既有不利的一面，也有有利的一面。正因为如此，关于残
余应力测试及其对材料性能影响的研究日益为工程技术界所重视，成为材料科学和力学中相当活跃 的一个分支。为满足工程技术发展的需要，随着测试手段的不断改进，近年来该领域的研究取得了
一Ｅ
冗 ｏ￡山
Ｋ・Ｍ
Ｍ表示。于是，式（２）可写成：盯妒２
在实验中只要测量出各个矽角下的衍射线位移，并以２臼为纵坐标，ｓｉｎＶ为横坐标，凭借最
小二乘法来计算和绘制出最贴近各实验值的直线，然后便可由直线斜率Ｍ得出残余应力。妒值，当 Ｍ＜０时，为残余拉应力；Ｍ＞０时，为残余压应力；Ｍ＝０时，无应力存在。 ２．２中子衍射法