残余应力测量研究现状综述_刘倩倩
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2011 年 6 月 第 39 卷 第 11 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jun. 2011 Vol. 39 No. 11
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2011. 11. 038
残余应力测量研究现状综述
刘倩倩，刘兆山，宋森，解令令
Research Status of Measurement for Residual Stress
LIU Qianqian，LIU Zhaoshan，SONG Sen，XIE Lingling （ School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Aerospace University， Shenyang Liaoning 110034 ，China）
2 2. 1
几种新型残余应力测量方法 裂纹柔度法
1. 3
超声波法
超声应力测量是建立在声弹性理论基础上，利用 受应力材料中的声双折射现象 。无应力作用时，超声 波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力时传播速
裂纹柔度法是基于线弹性断裂力学原理，在被测 物体表面引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应 力，通过测量对应不同裂纹深度指定点的应变释放量
Abstract： The measurement methods for residual stress were summarized and prospected because of its significance． The traditional measuring methods for residual stress and their application were introduced， including mechnical release method and nondestructive method． Several new measuring methods and their principles were illustrated． It was pointed out that the measuring technique of residual stress was being developed toward the direction of nondestructive，realtime and green method． Keywords： Residual stress； Measurement method
第 11 期
刘倩倩 等： 残余应力测量研究现状综述
· 137·
［14 ］
来测定相应的应变 、 位移等量值，进而分析和计算 ［2 ］ 残余应力 。 1971 年 Vaidyanathan 和 Finnie 首先提出了裂纹柔 度法 （ CCM） ，他们采用光弹性涂层法测量不同深度处 的应力强度因子进行残余应力计算； 1985 年， Cheng 和 Finnie 采用应变片测量应变或位移，使试验和计算 过程较光弹性试验简捷很多； 2002 年 Prime 第一次将 该方法用于测试铝合金厚板中的残余应力； 之后在 2003 —2004 年间，王秋成、张旦闻等分别对 7075 铝合 金板中的残余应力进行了检测； 但在上述研究中并没 有对柔度函数的计算过程和插值函数阶数的选择进行 探讨，使结果的精确性受到严重影响。基于此，唐志 涛等于 2007 年利用有限元方法得到了试样的裂纹柔度 函数，考虑了应力不确定度的两个主要来源，并确定 了最优的插值函数阶数 （ 基于应力总不确定度最小化 目标） ，经 过 计 算 得 到 了 45 mm 厚 铝 合 金 预 拉 伸 板 7050T7451 内部残余应力的分布规律［12］。 国内外学者关于 CCM 的误差分析 、 插值多项式 选择 、收敛和稳定性方面的研究甚少，所以开展相关 的误差理论研究对残余应力检测水平的提高具有重要 意义。孙娟等人于 2009 年通过建立误差传递方 程， 分析误差传递规律和影响范围，为插值函数提供最佳 收敛阶和最小计算误差条件的评价方法，并通过试验 验证了理论分析计算的合理性 。研究结果表明，该方 法较逐层钻孔法和 X 射线衍射法，具有更好的敏感 性和精确度，特别适合测量板类构件的内部残余应 力。作为一种残余应力测试新技术，该方法具有很大 的工程应用潜力，但对其适用范围及测试误差等还有 ［13 ］ 待更深入研究 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
超声波法测量的优点： （ 1 ） 原理简单、 设备轻 便，可实现现场或在役检测； （ 2 ） 方向性好，可以 实行定向发射； （ 3 ） 可无损测定构件的表面应力和 内部应力，且使用安全 、 无公害。 缺点： 测 量 精 度 低 。该方法适合测量大型构件的三维残余应力 、热残 余应力 、螺栓应力和焊接应力，在工业生产 、科研院 ［1 ， 10 ］ 。 所等各个部门具有十分广阔的应用前景
· 136·
机床与液压
第 39 卷
原理是在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使 得孔的邻近区域内由于部分应力释放而产生相应的位 移和应变，采用黏贴应变片 （ 如图 1 所示） 等方式 测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔 ［2 ， 6 ］ 。 处深度方向上的平均残余应力 该方法优点是： 现场操作 、对构件破坏性小 、测 量精度较高且设备较便宜 。缺点是： 需要在被测件表 面钻孔，使构件产生破坏； 钻孔过程中常会引起材料 的损伤和屈服，影响测量效果 。 基于钻孔法的特点， 一些光学测量方法 （ 全息法、 电子散斑 、 云纹法等） 逐渐与钻孔法结合起来 。光学方法具有全场测量且可 得到靠近孔周的残余变形信息的优点，因此使钻孔法 的测量精度大大提高，典型的钻孔云纹图的条纹光强 ［2 ， 5 ］ 。 清华大学戴福隆教授等在云 分布图如图 2 所示 纹法残余应力检测方面做了大量有效的工作： 他们提 出用云纹干涉测量的位移信息代替应变片测量的应变 信息来确定残余应力，然后用有限元建立位移与残余 应力间的关系； 并开发了一种可现场测量残余应力的 便携式云纹干涉钻孔系统，用该仪器进行了铝合金激 ［7 ］ 光焊接接头的残余应力测量 。
1. 4
磁性法
磁性法测量基本原理是利用铁磁物质的磁致伸缩 效应来测定应力，应力变化引起物体伸缩，从而导致 磁通的变化，并使感应器线圈的感应电流发生变化， 由此进行残余应力的测量 。 目前国内外应用较多的 有： 磁记忆检测法 、磁应力法 、巴克豪森效应法和磁 声发射法等，其中巴克豪森效应法相对成熟 。该方法 特点是测量速度快 、非接触测量 、适合现场，但可靠 性和精度差 、消耗能源 、污染环境且仅能用于铁磁材 ［1 ， 11 ］ 。 料
1. 1
的
［5 ］
钻孔法
钻孔 法 测 量 最 早 是 由 J Mathar 在 1934 年 提 出 ，后由 Soete 发展完善而形成系统理论 。 其基本
收稿日期： 2010 － 05 － 06 基金项目： 航空科学基金资助项目 （ 2007ZE54011 ） 作者简介： 刘倩 倩 （ 1985 —） ， 女， 工 学 硕 士，主 要 研 究 方 向 为 机 电 一 体 化 装 备 与 机 器 人 技 术 。 电 话： 15040236639 ， E － mail： lqian315@ 126. com。
响零件几何尺寸稳定性的主要因素； 因此，有效地测 ［1 － 2 ， 4 ］ 。 为了确保工 量工件的残余应力具有重大意义 件的安全性和可靠性，国内外学者从 20 世纪 30 年代 开始对此问题进行研究，并取得了令人瞩目的成果 。
1
传统的残余应力测量方法
目前传统残余应力的测量方法可分为机械释放测 量法和无损测量法两种 。机械释放测量法是将具有残 余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放， 由测量其应变的变化求出残余应力，该方法会对工件 造成一定的损伤或者破坏，但其测量精度较高 、理论 完善 、技术成熟，目 前 仍 应 用 广 泛 。 主 要 包 括 钻 孔 法 、环芯法 、分割切条法等，其中尤以浅盲孔法的破 坏性最小 。无损测量法即物理检测法，主要有 X 射 线法 、X 射线衍射法 、中子衍射法 、扫描电子声显微 镜法 、电子散斑干涉法 、超声法和磁性法等 。其对被 测件无损害，但是成本较高 、所需设备昂贵，其中 X ［1 － 2 ］ 。目前，国内外常 射线法和超声法发展较为成熟 用测定残余应力的方法原理和应用现状如下 。
（ 沈阳航空航天大学机电工程学院 ，辽宁沈阳 110034 ）
摘要： 针对残余应力测量的重要性，对其测量方法进行综述和展望 。 阐述传统的残余应力测量方法的原理及应用情 况，包括传统机械释放法和非破坏性无损伤测量法； 主要介绍几种新型的残余应力测量方法及其原理； 并指出残余应力的 测量技术正朝着无损、在线测量、绿色等方向发展。 关键词： 残余应力； 测量方法 中图分类号： TM930. 12 + 1 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2011 ） 11 － 135 － 4
残余应力是材料及其制品在机加工或合金过程中 产生的平衡于材料和制品内部的一种不稳定的应力状 态，当物体受到外力作用时，作用应力与残余应力相 互作用，使其某些局部呈现塑性变形，内应力重新分 ［1 － 2 ］ 。 配； 当外力作用去除后，整个物体将发生形变 从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类： （ 1 ） 机械加工引起的残余应力 。这是金属构件在加工过程 中最易产生的残余应力 。当施加外力时，物体的一部 分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其 相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力； （ 2 ） 温度不均引起的残余应力 。大多数金属都不是纯弹性 或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性 － 弹性 转变； （ 3 ） 构件尺寸公差引起的残余应力 。 如船体 分段对接时必须将对接钢板拉到一起，这些由外力拉 到一起而组合的结构，当外力去除后，整个系统就出 现了残余应力 。总之，残余应力是一种弹性应力，且 局部不均匀的塑性变形是产生残余应力较普遍的原 ［3 ］ 因 。 残余应力严重影响了工件的疲劳强度 、静力强度 及抗腐蚀性能，使工件在制造时产生变形和开裂等工 艺缺陷，进而影响零件的使用寿命； 残余应力还是影
图3
临界折射波的传播模式
图1
钻孔法示意图
图2
典型的钻孔云 纹图条纹分布
1. 2
X 射线衍射法
俄国学者于 1929 年提出 X 射线衍射法，该方法 基于弹性力学及 X 射线晶体学理论 。 理想的多晶体 在无应力的状态下，不同方位的同族晶面间距相等， 而存在一定的表面残余应力时，不同晶粒的同族晶面 间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，致 使 X 射线衍射谱线发生位偏移，根据位偏移的大小 即可计算残余应力 。 该方法测量准确 、 可靠，并可在原测点重复测 试，当应力在小范围内急剧变化时最有效； 且可测量 应力的绝对值，常用于确定陶瓷残余应力及弯曲面和 球面； 射线来源方便经济但 X 射线衍射法需要价格 ［1 － 2 ］ 。 昂贵的 X 射线衍射仪
度不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残 ［2 ］ 余应力 。现有的超声波测量应力技术主要有： 声双 折射法 、表面波法 、反射纵波法 、电磁超声法 、激光 超声法和临界折射纵波法，其中临界折射纵波法最具 发展前景 。临界折射纵波是纵波以第一临界角入射时 产生的特殊模式 （ 其传播模式如图 3 所示） ，其具有 表面波和体波的特性且对应力变化非常敏感，所以在 一些特殊应用方面具有更优越的性能 。早期波兰学者 利用该技术成功地测量了钢轧制造时产生的应力及钢 轧安装在路基上后由于热作用产生的应力，并取得了 一定成效； D E Bray 等探讨了织构对临界折射纵波的 ［8 ］ 影响，研究表明临界纵波对织构不敏感 ； 在国内， 2008 年虞付进等用自制的基于临界纵波法测应力系 统在轧辊上进行试验，并与目前相对成熟的 X 射线 衍射法和盲孔法进行对比测试，进而评价该系统测试 结果的准确性和可靠性，研究表明 3 种方法测试的结 ［9 ］ 果具有较好的一致性 。
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jun. 2011 Vol. 39 No. 11
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2011. 11. 038
残余应力测量研究现状综述
刘倩倩，刘兆山，宋森，解令令
Research Status of Measurement for Residual Stress
LIU Qianqian，LIU Zhaoshan，SONG Sen，XIE Lingling （ School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Aerospace University， Shenyang Liaoning 110034 ，China）
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几种新型残余应力测量方法 裂纹柔度法
1. 3
超声波法
超声应力测量是建立在声弹性理论基础上，利用 受应力材料中的声双折射现象 。无应力作用时，超声 波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力时传播速
裂纹柔度法是基于线弹性断裂力学原理，在被测 物体表面引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应 力，通过测量对应不同裂纹深度指定点的应变释放量
Abstract： The measurement methods for residual stress were summarized and prospected because of its significance． The traditional measuring methods for residual stress and their application were introduced， including mechnical release method and nondestructive method． Several new measuring methods and their principles were illustrated． It was pointed out that the measuring technique of residual stress was being developed toward the direction of nondestructive，realtime and green method． Keywords： Residual stress； Measurement method
第 11 期
刘倩倩 等： 残余应力测量研究现状综述
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来测定相应的应变 、 位移等量值，进而分析和计算 ［2 ］ 残余应力 。 1971 年 Vaidyanathan 和 Finnie 首先提出了裂纹柔 度法 （ CCM） ，他们采用光弹性涂层法测量不同深度处 的应力强度因子进行残余应力计算； 1985 年， Cheng 和 Finnie 采用应变片测量应变或位移，使试验和计算 过程较光弹性试验简捷很多； 2002 年 Prime 第一次将 该方法用于测试铝合金厚板中的残余应力； 之后在 2003 —2004 年间，王秋成、张旦闻等分别对 7075 铝合 金板中的残余应力进行了检测； 但在上述研究中并没 有对柔度函数的计算过程和插值函数阶数的选择进行 探讨，使结果的精确性受到严重影响。基于此，唐志 涛等于 2007 年利用有限元方法得到了试样的裂纹柔度 函数，考虑了应力不确定度的两个主要来源，并确定 了最优的插值函数阶数 （ 基于应力总不确定度最小化 目标） ，经 过 计 算 得 到 了 45 mm 厚 铝 合 金 预 拉 伸 板 7050T7451 内部残余应力的分布规律［12］。 国内外学者关于 CCM 的误差分析 、 插值多项式 选择 、收敛和稳定性方面的研究甚少，所以开展相关 的误差理论研究对残余应力检测水平的提高具有重要 意义。孙娟等人于 2009 年通过建立误差传递方 程， 分析误差传递规律和影响范围，为插值函数提供最佳 收敛阶和最小计算误差条件的评价方法，并通过试验 验证了理论分析计算的合理性 。研究结果表明，该方 法较逐层钻孔法和 X 射线衍射法，具有更好的敏感 性和精确度，特别适合测量板类构件的内部残余应 力。作为一种残余应力测试新技术，该方法具有很大 的工程应用潜力，但对其适用范围及测试误差等还有 ［13 ］ 待更深入研究 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
超声波法测量的优点： （ 1 ） 原理简单、 设备轻 便，可实现现场或在役检测； （ 2 ） 方向性好，可以 实行定向发射； （ 3 ） 可无损测定构件的表面应力和 内部应力，且使用安全 、 无公害。 缺点： 测 量 精 度 低 。该方法适合测量大型构件的三维残余应力 、热残 余应力 、螺栓应力和焊接应力，在工业生产 、科研院 ［1 ， 10 ］ 。 所等各个部门具有十分广阔的应用前景
· 136·
机床与液压
第 39 卷
原理是在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使 得孔的邻近区域内由于部分应力释放而产生相应的位 移和应变，采用黏贴应变片 （ 如图 1 所示） 等方式 测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔 ［2 ， 6 ］ 。 处深度方向上的平均残余应力 该方法优点是： 现场操作 、对构件破坏性小 、测 量精度较高且设备较便宜 。缺点是： 需要在被测件表 面钻孔，使构件产生破坏； 钻孔过程中常会引起材料 的损伤和屈服，影响测量效果 。 基于钻孔法的特点， 一些光学测量方法 （ 全息法、 电子散斑 、 云纹法等） 逐渐与钻孔法结合起来 。光学方法具有全场测量且可 得到靠近孔周的残余变形信息的优点，因此使钻孔法 的测量精度大大提高，典型的钻孔云纹图的条纹光强 ［2 ， 5 ］ 。 清华大学戴福隆教授等在云 分布图如图 2 所示 纹法残余应力检测方面做了大量有效的工作： 他们提 出用云纹干涉测量的位移信息代替应变片测量的应变 信息来确定残余应力，然后用有限元建立位移与残余 应力间的关系； 并开发了一种可现场测量残余应力的 便携式云纹干涉钻孔系统，用该仪器进行了铝合金激 ［7 ］ 光焊接接头的残余应力测量 。
1. 4
磁性法
磁性法测量基本原理是利用铁磁物质的磁致伸缩 效应来测定应力，应力变化引起物体伸缩，从而导致 磁通的变化，并使感应器线圈的感应电流发生变化， 由此进行残余应力的测量 。 目前国内外应用较多的 有： 磁记忆检测法 、磁应力法 、巴克豪森效应法和磁 声发射法等，其中巴克豪森效应法相对成熟 。该方法 特点是测量速度快 、非接触测量 、适合现场，但可靠 性和精度差 、消耗能源 、污染环境且仅能用于铁磁材 ［1 ， 11 ］ 。 料
1. 1
的
［5 ］
钻孔法
钻孔 法 测 量 最 早 是 由 J Mathar 在 1934 年 提 出 ，后由 Soete 发展完善而形成系统理论 。 其基本
收稿日期： 2010 － 05 － 06 基金项目： 航空科学基金资助项目 （ 2007ZE54011 ） 作者简介： 刘倩 倩 （ 1985 —） ， 女， 工 学 硕 士，主 要 研 究 方 向 为 机 电 一 体 化 装 备 与 机 器 人 技 术 。 电 话： 15040236639 ， E － mail： lqian315@ 126. com。
响零件几何尺寸稳定性的主要因素； 因此，有效地测 ［1 － 2 ， 4 ］ 。 为了确保工 量工件的残余应力具有重大意义 件的安全性和可靠性，国内外学者从 20 世纪 30 年代 开始对此问题进行研究，并取得了令人瞩目的成果 。
1
传统的残余应力测量方法
目前传统残余应力的测量方法可分为机械释放测 量法和无损测量法两种 。机械释放测量法是将具有残 余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放， 由测量其应变的变化求出残余应力，该方法会对工件 造成一定的损伤或者破坏，但其测量精度较高 、理论 完善 、技术成熟，目 前 仍 应 用 广 泛 。 主 要 包 括 钻 孔 法 、环芯法 、分割切条法等，其中尤以浅盲孔法的破 坏性最小 。无损测量法即物理检测法，主要有 X 射 线法 、X 射线衍射法 、中子衍射法 、扫描电子声显微 镜法 、电子散斑干涉法 、超声法和磁性法等 。其对被 测件无损害，但是成本较高 、所需设备昂贵，其中 X ［1 － 2 ］ 。目前，国内外常 射线法和超声法发展较为成熟 用测定残余应力的方法原理和应用现状如下 。
（ 沈阳航空航天大学机电工程学院 ，辽宁沈阳 110034 ）
摘要： 针对残余应力测量的重要性，对其测量方法进行综述和展望 。 阐述传统的残余应力测量方法的原理及应用情 况，包括传统机械释放法和非破坏性无损伤测量法； 主要介绍几种新型的残余应力测量方法及其原理； 并指出残余应力的 测量技术正朝着无损、在线测量、绿色等方向发展。 关键词： 残余应力； 测量方法 中图分类号： TM930. 12 + 1 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2011 ） 11 － 135 － 4
残余应力是材料及其制品在机加工或合金过程中 产生的平衡于材料和制品内部的一种不稳定的应力状 态，当物体受到外力作用时，作用应力与残余应力相 互作用，使其某些局部呈现塑性变形，内应力重新分 ［1 － 2 ］ 。 配； 当外力作用去除后，整个物体将发生形变 从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类： （ 1 ） 机械加工引起的残余应力 。这是金属构件在加工过程 中最易产生的残余应力 。当施加外力时，物体的一部 分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其 相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力； （ 2 ） 温度不均引起的残余应力 。大多数金属都不是纯弹性 或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性 － 弹性 转变； （ 3 ） 构件尺寸公差引起的残余应力 。 如船体 分段对接时必须将对接钢板拉到一起，这些由外力拉 到一起而组合的结构，当外力去除后，整个系统就出 现了残余应力 。总之，残余应力是一种弹性应力，且 局部不均匀的塑性变形是产生残余应力较普遍的原 ［3 ］ 因 。 残余应力严重影响了工件的疲劳强度 、静力强度 及抗腐蚀性能，使工件在制造时产生变形和开裂等工 艺缺陷，进而影响零件的使用寿命； 残余应力还是影
图3
临界折射波的传播模式
图1
钻孔法示意图
图2
典型的钻孔云 纹图条纹分布
1. 2
X 射线衍射法
俄国学者于 1929 年提出 X 射线衍射法，该方法 基于弹性力学及 X 射线晶体学理论 。 理想的多晶体 在无应力的状态下，不同方位的同族晶面间距相等， 而存在一定的表面残余应力时，不同晶粒的同族晶面 间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，致 使 X 射线衍射谱线发生位偏移，根据位偏移的大小 即可计算残余应力 。 该方法测量准确 、 可靠，并可在原测点重复测 试，当应力在小范围内急剧变化时最有效； 且可测量 应力的绝对值，常用于确定陶瓷残余应力及弯曲面和 球面； 射线来源方便经济但 X 射线衍射法需要价格 ［1 － 2 ］ 。 昂贵的 X 射线衍射仪
度不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残 ［2 ］ 余应力 。现有的超声波测量应力技术主要有： 声双 折射法 、表面波法 、反射纵波法 、电磁超声法 、激光 超声法和临界折射纵波法，其中临界折射纵波法最具 发展前景 。临界折射纵波是纵波以第一临界角入射时 产生的特殊模式 （ 其传播模式如图 3 所示） ，其具有 表面波和体波的特性且对应力变化非常敏感，所以在 一些特殊应用方面具有更优越的性能 。早期波兰学者 利用该技术成功地测量了钢轧制造时产生的应力及钢 轧安装在路基上后由于热作用产生的应力，并取得了 一定成效； D E Bray 等探讨了织构对临界折射纵波的 ［8 ］ 影响，研究表明临界纵波对织构不敏感 ； 在国内， 2008 年虞付进等用自制的基于临界纵波法测应力系 统在轧辊上进行试验，并与目前相对成熟的 X 射线 衍射法和盲孔法进行对比测试，进而评价该系统测试 结果的准确性和可靠性，研究表明 3 种方法测试的结 ［9 ］ 果具有较好的一致性 。