殘余應(yīng)力測量方法綜述

殘余應(yīng)力測量方法綜述

剩余力是材料及其產(chǎn)品在機(jī)械和履行或精煉過程中產(chǎn)生的平衡材料和產(chǎn)品的不穩(wěn)定力狀態(tài)。當(dāng)物體受到外部力的影響時，動作力與殘余力相互作用，部分局部呈現(xiàn)出塑性變形，內(nèi)應(yīng)力重組。去除外力作用后，整個物體變形。從殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因來講,可分成如下幾類:(1)機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力。這是金屬構(gòu)件在加工過程中最易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當(dāng)施加外力時,物體的一部分出現(xiàn)塑性變形,卸載后,塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復(fù),因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力;(2)溫度不均引起的殘余應(yīng)力。大多數(shù)金屬都不是純彈性或純塑性材料,在冷卻過程中往往會發(fā)生塑性-彈性轉(zhuǎn)變;(3)構(gòu)件尺寸公差引起的殘余應(yīng)力。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起,這些由外力拉到一起而組合的結(jié)構(gòu),當(dāng)外力去除后,整個系統(tǒng)就出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。總之,殘余應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力,且局部不均勻的塑性變形是產(chǎn)生殘余應(yīng)力較普遍的原因。殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響了工件的疲勞強(qiáng)度、靜力強(qiáng)度及抗腐蝕性能,使工件在制造時產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷,進(jìn)而影響零件的使用壽命;殘余應(yīng)力還是影響零件幾何尺寸穩(wěn)定性的主要因素;因此,有效地測量工件的殘余應(yīng)力具有重大意義。為了確保工件的安全性和可靠性,國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)30年代開始對此問題進(jìn)行研究,并取得了令人矚目的成果。1殘余應(yīng)力的測量目前傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的測量方法可分為機(jī)械釋放測量法和無損測量法兩種。機(jī)械釋放測量法是將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分離或切割出來使應(yīng)力釋放,由測量其應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力,該方法會對工件造成一定的損傷或者破壞,但其測量精度較高、理論完善、技術(shù)成熟,目前仍應(yīng)用廣泛。主要包括鉆孔法、環(huán)芯法、分割切條法等,其中尤以淺盲孔法的破壞性最小。無損測量法即物理檢測法,主要有X射線法、X射線衍射法、中子衍射法、掃描電子聲顯微鏡法、電子散斑干涉法、超聲法和磁性法等。其對被測件無損害,但是成本較高、所需設(shè)備昂貴,其中X射線法和超聲法發(fā)展較為成熟。目前,國內(nèi)外常用測定殘余應(yīng)力的方法原理和應(yīng)用現(xiàn)狀如下。1.1鉆孔殘余應(yīng)力檢測鉆孔法測量最早是由JMathar在1934年提出的,后由Soete發(fā)展完善而形成系統(tǒng)理論。其基本原理是在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件表面上鉆一個小孔,使得孔的鄰近區(qū)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,采用黏貼應(yīng)變片(如圖1所示)等方式測量這些位移和應(yīng)變,最后通過換算便可以得到鉆孔處深度方向上的平均殘余應(yīng)力。該方法優(yōu)點(diǎn)是:現(xiàn)場操作、對構(gòu)件破壞性小、測量精度較高且設(shè)備較便宜。缺點(diǎn)是:需要在被測件表面鉆孔,使構(gòu)件產(chǎn)生破壞;鉆孔過程中常會引起材料的損傷和屈服,影響測量效果?；阢@孔法的特點(diǎn),一些光學(xué)測量方法(全息法、電子散斑、云紋法等)逐漸與鉆孔法結(jié)合起來。光學(xué)方法具有全場測量且可得到靠近孔周的殘余變形信息的優(yōu)點(diǎn),因此使鉆孔法的測量精度大大提高,典型的鉆孔云紋圖的條紋光強(qiáng)分布圖如圖2所示。清華大學(xué)戴福隆教授等在云紋法殘余應(yīng)力檢測方面做了大量有效的工作:他們提出用云紋干涉測量的位移信息代替應(yīng)變片測量的應(yīng)變信息來確定殘余應(yīng)力,然后用有限元建立位移與殘余應(yīng)力間的關(guān)系;并開發(fā)了一種可現(xiàn)場測量殘余應(yīng)力的便攜式云紋干涉鉆孔系統(tǒng),用該儀器進(jìn)行了鋁合金激光焊接接頭的殘余應(yīng)力測量。1.2同族晶面間距的測量俄國學(xué)者于1929年提出X射線衍射法,該方法基于彈性力學(xué)及X射線晶體學(xué)理論。理想的多晶體在無應(yīng)力的狀態(tài)下,不同方位的同族晶面間距相等,而存在一定的表面殘余應(yīng)力時,不同晶粒的同族晶面間距隨晶面方位及應(yīng)力的大小發(fā)生有規(guī)律的變化,致使X射線衍射譜線發(fā)生位偏移,根據(jù)位偏移的大小即可計算殘余應(yīng)力。該方法測量準(zhǔn)確、可靠,并可在原測點(diǎn)重復(fù)測試,當(dāng)應(yīng)力在小范圍內(nèi)急劇變化時最有效;且可測量應(yīng)力的絕對值,常用于確定陶瓷殘余應(yīng)力及彎曲面和球面;射線來源方便經(jīng)濟(jì)但X射線衍射法需要價格昂貴的X射線衍射儀。1.3界折射縱波法超聲應(yīng)力測量是建立在聲彈性理論基礎(chǔ)上,利用受應(yīng)力材料中的聲雙折射現(xiàn)象。無應(yīng)力作用時,超聲波在各向同性的彈性體內(nèi)傳播速度與有應(yīng)力時傳播速度不同,利用超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系來測量殘余應(yīng)力?，F(xiàn)有的超聲波測量應(yīng)力技術(shù)主要有:聲雙折射法、表面波法、反射縱波法、電磁超聲法、激光超聲法和臨界折射縱波法,其中臨界折射縱波法最具發(fā)展前景。臨界折射縱波是縱波以第一臨界角入射時產(chǎn)生的特殊模式(其傳播模式如圖3所示),其具有表面波和體波的特性且對應(yīng)力變化非常敏感,所以在一些特殊應(yīng)用方面具有更優(yōu)越的性能。早期波蘭學(xué)者利用該技術(shù)成功地測量了鋼軋制造時產(chǎn)生的應(yīng)力及鋼軋安裝在路基上后由于熱作用產(chǎn)生的應(yīng)力,并取得了一定成效;DEBray等探討了織構(gòu)對臨界折射縱波的影響,研究表明臨界縱波對織構(gòu)不敏感;在國內(nèi),2008年虞付進(jìn)等用自制的基于臨界縱波法測應(yīng)力系統(tǒng)在軋輥上進(jìn)行試驗(yàn),并與目前相對成熟的X射線衍射法和盲孔法進(jìn)行對比測試,進(jìn)而評價該系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,研究表明3種方法測試的結(jié)果具有較好的一致性。超聲波法測量的優(yōu)點(diǎn):(1)原理簡單、設(shè)備輕便,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場或在役檢測;(2)方向性好,可以實(shí)行定向發(fā)射;(3)可無損測定構(gòu)件的表面應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力,且使用安全、無公害。缺點(diǎn):測量精度低。該方法適合測量大型構(gòu)件的三維殘余應(yīng)力、熱殘余應(yīng)力、螺栓應(yīng)力和焊接應(yīng)力,在工業(yè)生產(chǎn)、科研院所等各個部門具有十分廣闊的應(yīng)用前景。1.4殘余應(yīng)力的測量磁性法測量基本原理是利用鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)來測定應(yīng)力,應(yīng)力變化引起物體伸縮,從而導(dǎo)致磁通的變化,并使感應(yīng)器線圈的感應(yīng)電流發(fā)生變化,由此進(jìn)行殘余應(yīng)力的測量。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的有:磁記憶檢測法、磁應(yīng)力法、巴克豪森效應(yīng)法和磁聲發(fā)射法等,其中巴克豪森效應(yīng)法相對成熟。該方法特點(diǎn)是測量速度快、非接觸測量、適合現(xiàn)場,但可靠性和精度差、消耗能源、污染環(huán)境且僅能用于鐵磁材料。2一些新的殘余應(yīng)力測量方法2.1殘余應(yīng)力的檢測裂紋柔度法是基于線彈性斷裂力學(xué)原理,在被測物體表面引入一條深度逐漸增加的裂紋來釋放殘余應(yīng)力,通過測量對應(yīng)不同裂紋深度指定點(diǎn)的應(yīng)變釋放量來測定相應(yīng)的應(yīng)變、位移等量值,進(jìn)而分析和計算殘余應(yīng)力。1971年Vaidyanathan和Finnie首先提出了裂紋柔度法(CCM),他們采用光彈性涂層法測量不同深度處的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行殘余應(yīng)力計算;1985年,Cheng和Finnie采用應(yīng)變片測量應(yīng)變或位移,使試驗(yàn)和計算過程較光彈性試驗(yàn)簡捷很多;2002年P(guān)rime第一次將該方法用于測試鋁合金厚板中的殘余應(yīng)力;之后在2003—2004年間,王秋成、張旦聞等分別對7075鋁合金板中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了檢測;但在上述研究中并沒有對柔度函數(shù)的計算過程和插值函數(shù)階數(shù)的選擇進(jìn)行探討,使結(jié)果的精確性受到嚴(yán)重影響?；诖?唐志濤等于2007年利用有限元方法得到了試樣的裂紋柔度函數(shù),考慮了應(yīng)力不確定度的兩個主要來源,并確定了最優(yōu)的插值函數(shù)階數(shù)(基于應(yīng)力總不確定度最小化目標(biāo)),經(jīng)過計算得到了45mm厚鋁合金預(yù)拉伸板7050-T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于CCM的誤差分析、插值多項(xiàng)式選擇、收斂和穩(wěn)定性方面的研究甚少,所以開展相關(guān)的誤差理論研究對殘余應(yīng)力檢測水平的提高具有重要意義。孫娟等人于2009年通過建立誤差傳遞方程,分析誤差傳遞規(guī)律和影響范圍,為插值函數(shù)提供最佳收斂階和最小計算誤差條件的評價方法,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析計算的合理性。研究結(jié)果表明,該方法較逐層鉆孔法和X射線衍射法,具有更好的敏感性和精確度,特別適合測量板類構(gòu)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力。作為一種殘余應(yīng)力測試新技術(shù),該方法具有很大的工程應(yīng)用潛力,但對其適用范圍及測試誤差等還有待更深入研究。2.2薄膜-比合測量硬質(zhì)薄膜良好的耐磨、耐腐蝕等特性使其被廣泛應(yīng)用于金屬材料的防護(hù),但研究發(fā)現(xiàn):該薄膜的沉積態(tài)中存在較大的殘余應(yīng)力,且沿層深分布不均勻,因此硬質(zhì)薄膜中殘余應(yīng)力的精確測量、其與沉積工藝關(guān)系的研究,對優(yōu)化硬質(zhì)薄膜-基體系統(tǒng)的性能意義重大。2008年趙升升等在基片彎曲法的基礎(chǔ)上,提出并研究了一種測量硬質(zhì)薄膜殘余應(yīng)力的新方法——剝層曲率半徑法,設(shè)計了一套高精度的光杠桿測量系統(tǒng)用來測定試片的曲率半徑,從而提高測量精度。該方法的基本原理是:采用雙面鍍膜(雙面薄膜內(nèi)應(yīng)力共同作用,基片不會產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象)的基片,用合適的化學(xué)腐蝕液對基片的一個面進(jìn)行剝離,并利用光杠桿測量系統(tǒng)測定剝離前后基片彎曲曲率半徑的變化和薄膜厚度,利用推導(dǎo)公式即可得到所求殘余應(yīng)力。該方法消除了基片在鍍膜過程中由于塑性變形而產(chǎn)生的誤差,精確地計算了硬質(zhì)薄膜的平均殘余應(yīng)力,且測量結(jié)果可靠并有很好的重復(fù)性。2.3軸向力下固支梁的不定徑分子法固支梁可有效地用于應(yīng)力測試,若該結(jié)構(gòu)中存在殘余拉應(yīng)力,選擇彎曲測試方法;而存在殘余壓應(yīng)力時,選擇臨界撓曲法;但是上述方法缺少獨(dú)立測試的能力,測試過程需要配合應(yīng)力性質(zhì)的測試方法才能完成。針對此,徐臨燕等提出了共振頻率法,該方法基于顯微激光多普勒技術(shù),其基本原理是:基于橫向彎曲振動理論建立軸向力作用下固支梁的振動偏微分方程,由軸向力的拉壓性質(zhì)求解方程的唯一解形式;再根據(jù)梁的應(yīng)力狀況確定選擇最優(yōu)化方法還是數(shù)值迭代方法計算殘余應(yīng)力值。其用該方法測量了PECVD方法加工制備的SiC-W雙層固支梁諧振器的殘余應(yīng)力,并結(jié)合有限元模態(tài)分析方法驗(yàn)證計算結(jié)果的正確性,最后采用MicroLD測振系統(tǒng)測試諧振器的幅頻響應(yīng)特性。結(jié)果表明:被測梁的平均殘余應(yīng)力分散性較大,即說明加工工藝不能消除結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應(yīng)力,且無法控制殘余應(yīng)力的均勻性。2.4納米薄膜力學(xué)性能的研究隨著微電子技術(shù)和微系統(tǒng)的發(fā)展,材料的微觀力學(xué)性能研究隨之發(fā)展起來,納米壓痕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其具有無損、可在很小的局部范圍內(nèi)測試材料力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。通過壓痕實(shí)驗(yàn)可連續(xù)測定材料的載荷-位移曲線,如圖4所示,進(jìn)而評定其硬度、彈性模量、塑性等性能。納米壓痕技術(shù)的常用理論方法有經(jīng)典力學(xué)方法(Olive和Pharr方法)、應(yīng)變梯度塑性理論、Hainsworth方法、體積比重法和分子動力學(xué)模擬方法,此外有限元也常用于薄膜/基體組合體系的壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬。壓痕殘余應(yīng)力測定法是采用硬度試驗(yàn)方法、借鑒盲孔法的應(yīng)變測量思想、根據(jù)應(yīng)力場干涉理論而形成的一種全新的殘余應(yīng)力測量方法。納米壓痕技術(shù)的顯著特點(diǎn)在于其極高的力分辨率和位移分辨率,能連續(xù)記錄加載和卸載期間載荷和位移的變化(如圖4示),從而使該技術(shù)適合于薄膜材料力學(xué)性能的測量,此外該技術(shù)還廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)中微構(gòu)件、薄膜涂層、特殊功能材料和生物組織等的力學(xué)性能研究。目前,國際上該方法用得較多的是球型壓頭,相應(yīng)的理論和試驗(yàn)較成熟。國內(nèi),2008年章莎等人用納米壓痕法測量了電沉積鎳鍍層的殘余應(yīng)力,用2種理論模型對5種電沉積鎳鍍層在不用壓痕深度處進(jìn)行了測量,并與X射線法的測量結(jié)果做了比較,表明兩種結(jié)果相近。2.5基于殘余拉/壓應(yīng)力的計算機(jī)仿真由于試驗(yàn)方法費(fèi)用較高且消耗時間較長,所以有學(xué)者提出用計算機(jī)模擬技術(shù)分析殘余應(yīng)力,該技術(shù)不僅可以計算給定條件下的殘余應(yīng)力場,且可以研究殘余應(yīng)力的形成與演化規(guī)律。李金魁等利用有限元計算了不同噴丸強(qiáng)化工藝下的殘余應(yīng)力場,并在此基礎(chǔ)上建立了殘余拉/壓應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;郭萬林針對不同材料的孔冷擠壓強(qiáng)化的殘余應(yīng)力分布狀態(tài),采用計算機(jī)仿真方法進(jìn)行了相關(guān)研究。2006年譚森在微納米壓痕實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合有限元仿真分析測量了材料表面殘余應(yīng)力,研究結(jié)果證明了有限元仿真壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和微納尺度下壓痕法測量材料表面殘余應(yīng)力的可行性。2007年丁輝在多尺度仿真方法的基本原理及主要技術(shù)的基礎(chǔ)上,驗(yàn)證了其在納米級介質(zhì)力學(xué)上應(yīng)用的有效性,并將多尺度仿真技術(shù)運(yùn)用到超精密切削過程中且實(shí)現(xiàn)了相關(guān)多尺度仿真程序;然后提出了一種用于切削表面殘余應(yīng)力測量的算法,并將其在MATLAB平臺上實(shí)現(xiàn),經(jīng)過對仿真數(shù)據(jù)處理,得到不用切削參數(shù)下的殘余應(yīng)力幅值及其所達(dá)到的深度值,并采用統(tǒng)計和回歸分析方法得到了殘余應(yīng)力幅值及其深度回歸方程。2.6微機(jī)械薄膜殘余應(yīng)力的求解近年來,提出的殘余應(yīng)力測量的其他方法有:多孔差方法、臨界屈曲法、積分法、等達(dá)因法等。其中,多孔差方法是建立試樣的三維靜力平衡方程的偏微分方程,并用有限差分法解該方程,通過測量孔深來計算應(yīng)力;虞益挺等于2007年提出了利用屈曲變形法在線測量微機(jī)械薄膜殘余應(yīng)力的新結(jié)構(gòu),并采用有限元方法計算出殘余應(yīng)力;廖凱等人在積分法的基礎(chǔ)上,將線性積分形式在層削法數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用進(jìn)行延伸和分析,并結(jié)合積分法計算過程中多項(xiàng)式階次選擇且對計算結(jié)果進(jìn)行了比較分析;等達(dá)因法是由激光散光法發(fā)展而來,該方法不需使用大功率激光器、其條紋無畸變以