残余应力测试技术简介

一、残余应力基本知识
1、  什么是残余应力？
一个工件，在外力已经去除，温度达到平衡，相变已经终止的情况下，内部仍然存在的应力叫做内应力。按照德国人马赫劳赫的观点，内应力分为三类。其中第一类为宏观内应力，它在许许多多晶粒范围内存在并保持平衡。当它发生变化时，总会引起工件宏观尺寸或多或少的变化。残余应力就是第一类内应力的工程名称。

2、  残余应力是怎样产生的？
铸造、焊接、各种机械加工、热处理以及电镀、涂敷都会产生残余应力。从本质上讲，产生残余应力的原因可以归纳为三种：一是不均匀的塑性变形；二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。三种因素都导致材料中存在不均匀的弹性应变，因而产生残余应力。

3、  残余应力有什么作用？
对于钢和铝合金制作的结构，特别是大型拼焊构件，人们普遍考虑的是残余应力对结构安全和寿命的影响；过大的残余应力，或者过分不均匀的残余应力，可能导致构件变形或开裂，造成早期失效，甚至引发安全事故。
对于轧辊、齿轮、轴承、弹簧、曲轴之类的零部件，主要考虑如何通过调整残余应力状态来提高零件的疲劳寿命。大量研究表明适当的、具有一定层深的残余压应力可以提高零件的抗疲劳性能。
对于在具有腐蚀性环境或介质里工作的零部件，还必须考虑应力腐蚀问题。残余拉应力，和外加载荷的拉应力一样，是促成应力腐蚀的因素之一。
对于精密零部件，则应当关注残余应力对零件形状尺寸稳定性的影响。宏观残余应力的释放必然会引起形状尺寸的变化。

4、  如何测定残余应力？
测定残余应力的方法可以分为两大类。
X射线应力与载荷应力的一致性
一类是应力释放法，也叫机械法，是有损或半有损的方法。目前应用较多的是盲孔法。它的做法是在工件表面粘贴电阻应变花，待粘贴牢固后在应变花的中心钻一个标准尺寸的盲孔，如果此处存在应力，钻孔会引起应力释放，这时测定应变花电阻值的变化，就可以推算原来存在的应力大小和方向。

第二类是物理的方法，是无损的方法，包括磁性法、超声法和X射线衍射法等。在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法最受推崇，应用最为广泛。由测量原理可知，X射线衍射法通过测定材料中晶面间距的应变来计算应力，因而从根本上讲是可靠的。在构件承载的情况下，测得的是载荷应力与残余应力之代数和。测定等强度梁在不同载荷下的应力，可以看到X射线应力与载荷应力有很好的一致性，令人信服地表明X射线衍射法的准确与可靠（如右图）。经历了八十余年的进程，测量方法日臻完善，测试设备日益精良，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果。

二、X射线应力测定原理与方法

X射线应力测定测量原理基于X射线衍射理论。  当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如右图）。X射线的波长λ、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律：
       2d Sinθ＝n λ      （n＝1，2，3……）
在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此我们有可能通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。
为了表征衍射晶面与应力的相对取向，引入衍射晶面方位角Ψ，被定义为衍射晶面法线与试样表面法线的夹角。对于各向同性的多晶材料，在平面应力状况下，依据布拉格定律和弹性理论可以导出，应力值σ正比于2θ随Sin2 Ψ变化的斜率M，即

σ＝K·M ，

                                        ¶2θ
                                 M＝ ———— 。
                                       ¶Sin2 ψ
式中K为应力常数，
                                   E             π
                         K = － ————— Ctgθ0 ·——— ，
                                 2（1+μ）        180

式中E为杨氏模量，μ为泊松比，θ0为无应力状态的布拉格角。对于指定材料，K值可以从资料中查出或通过实验求出。这样看来，X射线应力测定的实质任务就是选定若干个Ψ角，测定它所对应的衍射角2θ 。完成这种任务的装置叫做测角仪，是X射线应力测定仪的测量执行机构。国产X-350A型以及目前国外几种型号的 X射线应力测定仪都可以自动完成测量并给出最终结果（正、负应力值）和一些有价值的物理参数。
在X射线应力测定技术发展过程中，人们根据各种不同材质和不同形状试件的实际需要，创造出多种测量方法。一般可分为同倾法和侧倾法, 侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性；从另一角度分类又分为固定ψ0法和固定ψ法，后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来，即在侧倾的条件下实施固定Ψ法便会产生喜人的新特点──吸收因子恒等于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会倾斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以专家们的共识：侧倾固定ψ法是最理想的测量方法。

实际测量过程中得到的是衍射强度沿接收角2θ的分布曲线。怎样确定满足布拉格定律的衍射角2θ呢？这就是定峰方法问题。目前常用的定峰方法有半高宽法、抛物线法、重心法和交相关法。其中交相关法因为能够得到更好的定峰精度和重复性而倍受青睐。

在X射线应力测定技术中，试样表面处理是关键问题之一。试样表面状态对测量结果有决定性影响。原则上讲，表面光洁度越高，应力测定就越准确；粗糙的表面应力会有一定程度的释放。

应当依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行表面处理。如果目的是为了测定各种机械加工（例如车削、磨削、喷丸强化、滚压强化等等）所产生的残余应力，就必须小心保护原始表面，不作任何有损原始表面的处理。当然为了探求应力和半高宽沿层深的分布，还要采用电解抛光的方法做剥层。对于焊缝，一般要去除附加高，另外还要清除表面的焊疤、敲击痕迹和各种缺陷。一般总是在选定的部位，从焊缝中心到热影响区以至母材，打磨出连续平整的一片区域，测试点排列在这个区域之中。在采用锉刀、砂轮、砂布进行修磨，乃至进行机械抛光之后，必须采用电解抛光或化学抛光的手段去除修磨抛光带来的附加应力层。

随着科学技术的飞速进展，X射线应力测试设备也不断改进，不但功能增强，而且更加小型化，测试工效大大提高。这样，X射线衍射法不仅适合于实验研究，而且适合于现场测量。（编辑杜鹤）