殘余應(yīng)力分類與評(píng)估

1、目 錄1 殘余應(yīng)力11.1 殘余應(yīng)力的定義及分類11.2 殘余應(yīng)力的本質(zhì)11.3 殘余應(yīng)力的影響12 殘余應(yīng)力的消除方法33 殘余應(yīng)力的測(cè)定與評(píng)估43.1無損檢測(cè)法53.1.1 鉆孔法53.1.2 環(huán)芯法63.1.3 剝層法63.2無損檢測(cè)法63.2.1 X射線衍射法73.2.2 中子衍射法73.2.3 超聲波法83.2.4 磁測(cè)法9101 殘余應(yīng)力 1.1 殘余應(yīng)力的定義及分類構(gòu)件在進(jìn)行各種機(jī)械工藝加工過程中，如鑄造、壓力加工、焊接、切削、熱處理、裝配等，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，會(huì)使工件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用于影響不能隨之而完全消失，

2、仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為殘留應(yīng)力或殘余應(yīng)力?？梢哉f殘余應(yīng)力就是是當(dāng)物體沒有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是一種固有應(yīng)力，按其作用的范圍來分，可分為宏觀殘余應(yīng)力與微觀殘余應(yīng)力等兩大類：宏觀殘余應(yīng)力，又稱第一殘余應(yīng)力，它是在宏觀范圍內(nèi)分布的，它的大小、方向和性質(zhì)等可用通常的物理的或機(jī)械的方法進(jìn)行測(cè)量；微觀殘余應(yīng)力屬于顯微事業(yè)范圍內(nèi)的應(yīng)力，依其作用的范圍細(xì)分為兩類，即微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力（又稱第二類殘余應(yīng)力，它是在晶粒范圍內(nèi)分布的）和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力（又稱為第三類殘余應(yīng)力，它是在一個(gè)晶粒內(nèi)部作用的）。1.2 殘余應(yīng)力的本質(zhì)一般認(rèn)為殘余應(yīng)力是能量?jī)?chǔ)存不

3、均勻造成的，是材料內(nèi)部不均勻塑形變形的結(jié)果，其本質(zhì)是晶格畸變，晶格畸變很大程度上是由位錯(cuò)引起的。在機(jī)械制造中，各種工藝過程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，但是，如果從本質(zhì)上講，殘余應(yīng)力是由于金屬內(nèi)部組織發(fā)生了不均勻的體積變化，形成了不均勻的變形，金屬內(nèi)部需要達(dá)到平衡而形成的相互作用。產(chǎn)生不均勻變化的原因可以歸結(jié)為不均勻的塑性變形、不均勻的溫度變化及不均勻的相變。如金屬合金在淬火過程中,內(nèi)部形成很大的殘余應(yīng)力, 機(jī)械加工后破壞了這些殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài), 所以零件產(chǎn)生變形。當(dāng)零件剛性較大, 形狀對(duì)稱時(shí), 變形較小。反之, 則變形十分明顯。在工件內(nèi)部實(shí)際應(yīng)力的情況是復(fù)雜的，有眾多位錯(cuò)的相互作用，還有空位等點(diǎn)缺

4、陷及晶界、亞晶界的影響，所以，實(shí)際工件內(nèi)部殘余應(yīng)力是眾多因素導(dǎo)致的晶格畸變的綜合結(jié)果。1.3 殘余應(yīng)力的影響機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重大的影響。低碳鋼在硝酸鹽中的“硝脆”，奧氏體不銹鋼在氯離子溶液中的“氯脆”，鍋爐鋼在堿溶液中的“堿脆”，黃銅在帶有氨氣氣氛中的“氨脆”等等屬于應(yīng)力腐蝕開裂，所有這些應(yīng)力腐蝕主要是由于殘余應(yīng)力引起的。尺寸穩(wěn)定性是表示材料在熱處理與加工完畢后，在工作環(huán)境下不受外力作用或在低于彈性極限的應(yīng)力作用下抵抗永久變形的能力以及在加工過程中保持尺寸不變的能力。一般認(rèn)為，長(zhǎng)期存放過程中金屬尺寸的自發(fā)變化是以下因

5、素的結(jié)果：材料的相與組織狀態(tài)的不穩(wěn)定性；在各種熱加工與冷加工工藝過程中以及在機(jī)械裝配操作時(shí)零件中發(fā)生殘余內(nèi)應(yīng)力的松弛；Paquin等認(rèn)為性能的不均勻性即各向異性材料導(dǎo)致材料在加熱過程中誘發(fā)殘余應(yīng)力的松弛，也是尺寸不穩(wěn)定性的一個(gè)內(nèi)應(yīng)。在儀器儀表制造業(yè)、航空工業(yè)中以及宇航工業(yè)，構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性性能越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代精密儀表設(shè)計(jì)的要求。在一個(gè)高精度的陀螺和羅經(jīng)系統(tǒng)中, 其任意元件的尺寸不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致其質(zhì)心的偏移, 而質(zhì)心的偏移本身將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào), 這會(huì)在制導(dǎo)系統(tǒng)中引入誤差, 直接影響制導(dǎo)精度。在宇航這一應(yīng)用領(lǐng)域,10- 6 乃至10- 7數(shù)量級(jí)的微小塑性應(yīng)變都將成為重要的誤差來源。薄壁零件

6、加工過程中，由于變形難以保證加工精度，造成材料的浪費(fèi)和產(chǎn)品報(bào)廢，直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。宇航產(chǎn)品為了減輕零件的重量, 形狀大都為高筋薄壁, 因裝配的需要, 還有部分半環(huán)。這類零件, 殘余應(yīng)力引起的殘余變形的后果是非常嚴(yán)重的。這種或大或小、或拉或壓的殘余應(yīng)力即使只產(chǎn)生在很薄的表面層中，但卻在很大程度上影響零件的強(qiáng)度、硬度、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性等，從而進(jìn)一步影響機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命。殘余應(yīng)力問題一直受到人們的關(guān)注。在機(jī)械加工過程中，外力和溫度變化引起的不均勻塑性變形是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因。在鑄造、鍛造、焊接及各類切削加工過程中，工件均會(huì)由于受外力和溫度的作用而引起殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

7、、疊加及釋放過程造成零件內(nèi)部應(yīng)力狀況的重新分布，就可能影響零件的尺寸和形位精度以及零部件的裝配精度，降低零件的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力，最終影響到機(jī)器設(shè)備的性能與使用壽命。因此，分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、探究有效的殘余應(yīng)力測(cè)試方法與改善零件中殘余應(yīng)力狀況具有非常重大的意義。事實(shí)上，在各工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)械、水利水電、熱電核電、航空航天、石油化工、冶金、鐵路、交通等行業(yè)，殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用研究始終受到高度重視，特別是加人世貿(mào)組織以來，為了與國(guó)際接軌，殘余應(yīng)力測(cè)試已成為許多行業(yè)必需的檢驗(yàn)和控制手段。2 殘余應(yīng)力的消除方法由于殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)構(gòu)件質(zhì)量產(chǎn)生諸多不良影響，故相關(guān)專業(yè)人士對(duì)如何消

8、除展開了諸多研究并且系統(tǒng)化提出了消除和控制構(gòu)件中殘余應(yīng)力的方法。殘余應(yīng)力消除的方法一般有以下幾種，各種方法效果也不盡相同。（1）機(jī)械拉伸法消除應(yīng)力的原理是將淬火后的合金板材，沿軋制方向施加一定量的永久拉伸塑性變形，使拉伸應(yīng)力與原來的淬火殘余應(yīng)力疊加后發(fā)生塑性變形，使殘余應(yīng)力得以緩和與釋放。（2）振動(dòng)消除殘余應(yīng)力法的工作原理是用便攜式強(qiáng)力激振器，使金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生如同機(jī)械加載時(shí)的彈性變形，使零件內(nèi)某些部位的殘余應(yīng)力與振動(dòng)載荷疊加后，超過材料的屈服應(yīng)力引起塑性應(yīng)變，從而引起內(nèi)應(yīng)力的降低和重新分布。（3）脈動(dòng)法通過在零件上施加一定載荷和頻率，呈周期變化的循環(huán)載荷，可以有效釋放

9、零件的殘余應(yīng)力。（4）時(shí)效消除法，一般有以下幾種。自然時(shí)效，將構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛，從而使構(gòu)件尺寸精度獲得穩(wěn)定。該方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，而且只能降低少量的殘余應(yīng)力。人工熱時(shí)效，熱時(shí)效工藝要求比較嚴(yán)格，升溫和降溫的速度對(duì)熱時(shí)效的效果影響很大。該法是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種應(yīng)力消除方法。但耗能大、成本高且污染嚴(yán)重；同時(shí)時(shí)效溫度的提高，將使金屬內(nèi)部強(qiáng)化相析出過多，必然明顯降低強(qiáng)度指標(biāo)，產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象，因此，淬火后時(shí)效處理通常在較低溫度(小于200250)下進(jìn)行，因而影響了應(yīng)力消除效果（僅為1035)。振動(dòng)

10、時(shí)效，它是在激振器的周期性外力(激振力)的作用下，使構(gòu)件共振，進(jìn)而松弛殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的方法。該法成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、時(shí)間比較短，可避免金屬零件在熱時(shí)效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。已在生產(chǎn)上得到一定的應(yīng)用。聲波時(shí)效法，超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣。該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。但是由于超聲波法只能解決構(gòu)件表層一定深度內(nèi)的應(yīng)力問題，所以相對(duì)應(yīng)用環(huán)境較窄，且成本頗高。熱沖擊時(shí)效法，其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從

11、而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。（5）深冷處理法，按工藝可劃分為深冷急熱法與冷熱循環(huán)法兩種。其中深冷急熱法是將含有殘余應(yīng)力的零件浸入液氮中深冷，待內(nèi)外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射，通過急熱與急冷產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力，借以抵消原來的殘余應(yīng)力場(chǎng)。（6）脈沖磁場(chǎng)消除殘余應(yīng)力，MPS公司開發(fā)出一項(xiàng)以非熱方式消除金屬中殘余應(yīng)力的技術(shù)，稱之為脈沖磁處理( Pulsed Magnetic Treatment, PMT )。借助PMT，可使金屬中的組織缺陷得到改善,從而使零件中的殘余應(yīng)力得以消除。從微觀分析的角度來說, PMT對(duì)提高或改善金屬零件的尺寸穩(wěn)定性；耐磨性與耐蝕性也有作用，對(duì)金屬材料的磁滯后特性

12、、疲勞、擴(kuò)散以至相變等特性也會(huì)產(chǎn)生重大影響，該技術(shù)在冷拔管材、焊接件、絲材和彈簧等制品的殘余應(yīng)力消除應(yīng)用中,已獲得飛速發(fā)展。（7）爆炸法。是利用爆炸沖擊波的能量使構(gòu)件應(yīng)變區(qū)產(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到降低或消除殘余應(yīng)力的目的。該法常用于焊接構(gòu)件，爆炸處理不僅可以完全消除焊接區(qū)殘余拉應(yīng)力，根據(jù)需要還可以在焊接區(qū)造成殘余壓應(yīng)力。（8）其它方法，打壓法、錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強(qiáng)化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強(qiáng)化零件的手段，噴丸的同時(shí)也改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強(qiáng)化機(jī)理中的重要因素。上述方法中外機(jī)械拉伸(壓縮)法可達(dá)90左右，恒溫時(shí)效法1035，振動(dòng)消除法2070，深冷處理法258

13、3。因此，現(xiàn)有工藝技術(shù)與方法尚無法從根本上消除合金結(jié)構(gòu)件鍛件毛坯中的殘余應(yīng)力。3 殘余應(yīng)力的測(cè)定與評(píng)估實(shí)際生產(chǎn)中，準(zhǔn)確把握構(gòu)件的殘余應(yīng)力的分布十分必要，一般可通過計(jì)算或直接實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到。欲了解構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布，特別是一些比較復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布，采用計(jì)算方法有時(shí)將遇到種種困難，臀如有時(shí)因缺乏材料的一些機(jī)械性質(zhì)與物理性質(zhì)的有關(guān)信息而導(dǎo)致計(jì)算工作無法進(jìn)行。因此，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法是有實(shí)用意義的。殘余應(yīng)力的測(cè)試方法很多，按其對(duì)于被測(cè)構(gòu)件是否具有破壞性而言，可分為有損檢測(cè)（包括部分損壞檢測(cè)法和全部損壞檢測(cè)法）與無損檢測(cè)兩大類。3.1無損檢測(cè)法有損檢測(cè)法主要有鉆孔法、取條法、切槽法、環(huán)芯法、剝層法、剖

14、面法與裂紋法，目前應(yīng)用最多的是鉆孔法和環(huán)芯法，該方法是部分或全部的去掉測(cè)點(diǎn)周圍的材料組織即去掉了對(duì)該點(diǎn)的約束，使應(yīng)力全部或部分釋放。實(shí)際操作中是將欲測(cè)構(gòu)件，利用機(jī)械加工的方法(如鉆孔等)，使其因釋放部分應(yīng)力而產(chǎn)生相應(yīng)的位移與應(yīng)變，盆測(cè)這些位移或應(yīng)變.經(jīng)換算，得知構(gòu)件加工處原有的應(yīng)力。因此，這種測(cè)試方法又稱為機(jī)械側(cè)試法或應(yīng)力釋放法。3.1.1 鉆孔法鉆孔法在我國(guó)又稱為小孔法或盲孔法經(jīng)多人的研究與改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)比較成熟的通過鉆小孔測(cè)量構(gòu)件殘余應(yīng)力的方法和技術(shù)。其基本思想是在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上鉆一小孔，使孔的領(lǐng)域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的位移和應(yīng)變，測(cè)量這些位移或應(yīng)變，經(jīng)換算得到轉(zhuǎn)

15、孔處的原有的應(yīng)力。它在工程上得至廣泛應(yīng)用，其最大特點(diǎn)是對(duì)試件損傷小，甚至不影響構(gòu)件的正常使用。假定一塊各向同性的平板中存在某一殘余應(yīng)力，若鉆一小孔，孔邊的徑向應(yīng)力下降為零，孔區(qū)附近應(yīng)力重新分布，該應(yīng)力的變化稱為釋放應(yīng)力。由應(yīng)變計(jì)感受其應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)離孔邊愈近，則感受的應(yīng)變愈大，靈敏度也愈高。通常表面殘余應(yīng)力是平面應(yīng)力狀態(tài)，兩個(gè)主應(yīng)力和主方向角共三個(gè)未知數(shù)，要求用三個(gè)應(yīng)變敏感柵組成的應(yīng)變花進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)敏感柵的中心布置在同一半徑上。盲孔法是目前工程上最常用的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，美同ASTM協(xié)會(huì)已將其納入標(biāo)準(zhǔn)。近年來各國(guó)研究者繼續(xù)對(duì)盲孔法作了大量的研究工作，從實(shí)際操作中的各種工藝岡素、誤差來源等方面進(jìn)

16、行了深入分析，使其日趨完善。由于盲孔法的計(jì)算公式是根據(jù)通孔的簡(jiǎn)化力學(xué)模型推導(dǎo)出的，與實(shí)際情況存在偏差，對(duì)此，一般采用有限元數(shù)值分析的方法，分別對(duì)不同尺寸、形狀的盲孔周圍的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算，得出孔徑深比及孔緣孔底形狀對(duì)釋放應(yīng)力的影響，避免Kirsch通孔解所帶來的誤差，同時(shí)又可省去大量人工實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的繁瑣。由于在鉆孔過程中，鉆頭使孔壁經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和切斷過程，因而在孔壁周圍由于局部塑性變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力場(chǎng)，使粘貼在該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變片感受到附加應(yīng)變，其大小受孔徑、孔深、鉆進(jìn)速度、鉆頭類型、鉆刃鋒利程度、應(yīng)變片尺寸及其到盲孔中心的距離等因素的影響。3.1.2 環(huán)芯法環(huán)芯法是部分損壞檢測(cè)法，

17、也稱部分釋放法，在我國(guó)又稱為圓環(huán)法、切槽法。方法是用一種皇冠形銑刀加工出一個(gè)圓環(huán)形槽，中間為一個(gè)環(huán)芯。加工出的環(huán)芯應(yīng)該是應(yīng)力對(duì)它的作用最小，釋放出的應(yīng)變最大。用特制的應(yīng)變花來測(cè)量環(huán)芯部位釋放出的應(yīng)變，通過相應(yīng)的公式計(jì)算，即可得到該部位的殘余應(yīng)力大小和方向。環(huán)芯法是在待測(cè)工件表面用皇冠形銑刀加工出一個(gè)環(huán)形槽，將其中的環(huán)芯部分從工件本體分離開來，殘留在環(huán)芯中的應(yīng)力同時(shí)被釋放出來這種方法是利用材料的彈性變形即應(yīng)力釋放效果測(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)力。用改進(jìn)后的特殊應(yīng)變計(jì)來測(cè)量環(huán)芯表面產(chǎn)生的應(yīng)變。由測(cè)得結(jié)果及計(jì)算公式可知面各個(gè)方向的應(yīng)變是槽深Z的函數(shù)。3.1.3 剝層法其工作原理為：當(dāng)從含有殘余應(yīng)力的平板上去除一層材

18、料時(shí)，其內(nèi)部殘余應(yīng)力將不再平衡，當(dāng)它重新平衡時(shí)將導(dǎo)致平板變曲，平板彎曲的曲率取決于被去除掉的那層材料的原來的殘余應(yīng)力分布和遺留部分材料的彈性性能。通過逐層去除并測(cè)量其去除后的曲率，平板的原始?xì)堄鄳?yīng)力分布就可通過計(jì)算得到，常用于測(cè)定幾何形狀簡(jiǎn)單的試件的殘余應(yīng)力，測(cè)試過程快捷。剝層法僅適合于平板類樣品，可用于測(cè)量?jī)?nèi)部宏觀殘余應(yīng)力，但不能用于表面應(yīng)力或近表層內(nèi)力的測(cè)量。3.2無損檢測(cè)法無損檢測(cè)法主要有X射線衍射法，中子衍射法、同步衍射法、超聲波法和磁性法，其中X射線衍射法又包括普通X射線衍射法和硬X射線衍射法（或同步衍射法）。這些均是利用材料中殘余應(yīng)力狀態(tài)引起的某種物理效應(yīng)，建立起某一物理量與殘余應(yīng)

19、力(或應(yīng)變)問的關(guān)系，通過測(cè)定這物理量推算出殘余應(yīng)力來。X射線的原理與中子衍射相似，由于X射線的波長(zhǎng)較大，其探測(cè)深度和精度不及中子衍射，但X射線源較中子源易于獲得，因此工業(yè)上X射線的應(yīng)用遠(yuǎn)較中子衍射為廣。因此X射線衍射法的工程上最為應(yīng)用廣泛，其余方法理論上尚不夠完善，或者相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備比較稀缺，工程應(yīng)用受到限制。3.2.1 X射線衍射法盲孔法盡管是最常用的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，但卻或多或少會(huì)對(duì)構(gòu)件造成損傷，這在很多情況下是不被允許的，例如對(duì)于壓力容器，就絕不允許破損。這使得人們必須去研究別的檢測(cè)方法，其中，X射線法較為成熟，在已經(jīng)發(fā)展出的眾多無損檢測(cè)多晶體材料表面殘余應(yīng)力的方法中，X射線最可靠、成

20、熟，其實(shí)用性為各界所公認(rèn)。X射線衍射法的基本原理是通過測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)的變化來測(cè)量變化來測(cè)量應(yīng)變的變化來測(cè)量應(yīng)變。X射線穿透能力有限，因而僅能測(cè)量材料與制品淺表層范圍內(nèi)的平均二維應(yīng)力，該法的主要缺點(diǎn)是尺寸和幾何形狀有很大限制。組成金屬材料的晶粒是由一定晶體結(jié)構(gòu)的無數(shù)晶胞組成的，在其被測(cè)區(qū)域的X光照射面積內(nèi)含有足夠多的晶粒，且各晶粒的晶體學(xué)取向是充分紊亂的，以至采用任意指數(shù)的晶面參與衍射，都有足夠多的相同晶面指數(shù)的晶面參與衍射。當(dāng)金屬受到力的作用時(shí)就會(huì)發(fā)生應(yīng)變，晶粒中的不同晶面指數(shù)的晶面應(yīng)變各不相同。只要知道了晶粒內(nèi)特定晶面族面間距的變化，經(jīng)布拉格方程就可得到應(yīng)變量的大小，然后根據(jù)胡克定律即可求得應(yīng)

21、力值。X射線測(cè)殘余應(yīng)力一般有以下特點(diǎn)：速度快，準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單；理論成熟，精度高，結(jié)果可靠；非破壞性測(cè)量，對(duì)金屬構(gòu)建的性能損害小，表面應(yīng)力測(cè)量時(shí)屬無損檢測(cè)，必須剝層測(cè)內(nèi)部應(yīng)力時(shí)，屬有損檢測(cè)；無需制備樣品能夠直接測(cè)量；可測(cè)量指定點(diǎn)的應(yīng)力分布情況；一定條件下，可測(cè)定復(fù)相材料中某一指定相的應(yīng)力；測(cè)材料彈性應(yīng)變時(shí)往往是彈性應(yīng)變和范性應(yīng)變之和。由于X射線衍射法的無損性，這種方法向來在焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測(cè)量中的應(yīng)用研究十分廣泛。X射線法由于是通過直接測(cè)量晶體的原子間距來得到構(gòu)件的變形信息，具有較高的精度。然而，這種方法對(duì)粗晶等材料的測(cè)試目前尚有困難，某些材料很難找到衍射面，X射線測(cè)試設(shè)備也比較復(fù)雜。由于穿透深度

22、極淺，在測(cè)內(nèi)部應(yīng)力時(shí)必須剝層。例如為研究大鍛件淬火殘余應(yīng)力的形成和分布規(guī)律，就屬于有損檢測(cè)。硬X射線法又稱同步衍射法，它與傳統(tǒng)的X射線法相比較，其主要優(yōu)勢(shì)除了穿透深度高得多以外，它還能提供窄縫高能束，且測(cè)量速度比X射線法快。同步衍射實(shí)驗(yàn)設(shè)備也非常稀缺，僅限于若干歐美國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)尚無該方面的研究報(bào)道。這種設(shè)備的稀缺限制人們將其用于日常的科學(xué)研究與測(cè)試工作。3.2.2 中子衍射法中子衍射法主要是利用材料晶格常數(shù)的變化來推算出物體的應(yīng)力狀態(tài)。中子衍射通常指德布羅意波長(zhǎng)為約1埃左右的中子（熱中子）通過晶態(tài)物質(zhì)時(shí)發(fā)生的布拉格衍射。當(dāng)在目前，中子衍射方法是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要手段之一。 中子衍射的基本原

23、理和X射線衍射十分相似，其不同之處在于：X射線是與電子相互作用，因而它在原子上的散射強(qiáng)度與原子序數(shù)成正比，而中子是與原子核相互作用，它在不同原子核上的散射強(qiáng)度不是隨值單調(diào)變化的函數(shù)，這樣，中子就特別適合于確定點(diǎn)陣中輕元素的位置(X射線靈敏度不足)和值鄰近元素的位置（X 射線不易分辨）；對(duì)同一元素，中子能區(qū)別不同的同位素，這使得中子衍射在某些方面，特別在利用氫-氘的差別來標(biāo)記、研究有機(jī)分子方面有其特殊的優(yōu)越性；中子具有磁矩，能與原子磁矩相互作用而產(chǎn)生中子特有的磁衍射，通過磁衍射的分析可以定出磁性材料點(diǎn)陣中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁結(jié)構(gòu)的極為重要的手段；一般說來中子比X射線具有

24、高得多的穿透性，因而也更適用于需用厚容器的高低溫、高壓等條件下的結(jié)構(gòu)研究。中子衍射法的工作原理與其他衍射法一樣，也是根據(jù)多晶體材料內(nèi)部彈性變形引起的晶粒削距相對(duì)于無應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的變化量進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定的。其測(cè)量方法也是與射線法是一樣的。中子法的最大優(yōu)勢(shì)是比X射法可以得到很大的穿透深度，同時(shí)具有很高的空間分辨率，從而通過移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)試件來實(shí)現(xiàn)的能夠完全繪制工程零部件的三維應(yīng)變圖。然而，它的缺點(diǎn)是需要特殊的強(qiáng)中子源，并且由于源強(qiáng)不足而常需較大的樣品和較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)收集時(shí)間，測(cè)試成本太高，中子衍射設(shè)備非常稀缺，僅限于若干歐美國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)尚無該方面的研究報(bào)道。3.2.3 超聲波法超聲波法是利用聲雙折射現(xiàn)象

25、的。一般一個(gè)在媒質(zhì)1中的超聲縱波以一定傾斜角度入射，通過兩媒質(zhì)的介面向媒質(zhì)2內(nèi)傳遞時(shí)，它將分解成兩個(gè)縱波和兩個(gè)橫波。但當(dāng)入射波是沿垂直于各向同性介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，可以證明它將形成兩個(gè)純粹與入射波同類型的波。這個(gè)規(guī)律為利用超聲波測(cè)定殘余應(yīng)力提供了理論根據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。一個(gè)各向同性固態(tài)介質(zhì)，在應(yīng)力的作用下是具有聲彈性的(和磁性相似)。即在有應(yīng)力的情況下，由于應(yīng)力的方向和大小的不同，從而使在固態(tài)介質(zhì)中的超聲波傳遞速度發(fā)生了變化，也就是由于應(yīng)力的存在引起了各向異性。當(dāng)應(yīng)力為平面應(yīng)力狀態(tài)且超聲波又以垂直于應(yīng)力平面方向傳播時(shí)。超聲波僅只分解成兩個(gè)方向的超聲波(反射波和折射波)。超聲波法正是采取某種手段測(cè)定應(yīng)力引起的聲雙折射、聲傳播速度變化及超聲頻譜變化，測(cè)量出這些變化以后便可計(jì)算出作用在物體上的外力或殘余應(yīng)力。超聲波測(cè)定殘余應(yīng)力有很多優(yōu)點(diǎn)：能無損測(cè)定實(shí)際構(gòu)件的表面應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力；可以不接觸實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，不會(huì)損傷構(gòu)件表面，使用安全、無公害；超聲測(cè)量?jī)x器方便攜帶到室外或現(xiàn)場(chǎng)使用，特定條件下可一機(jī)多用。但是目前超聲波法仍處于試驗(yàn)研究階段，還存在許多問題：測(cè)定的結(jié)果要受到材料性能、工件形狀和組織