残余应力测量方法综述

残余应力测量方法综述

剩余力是材料及其产品在机械和履行或精炼过程中产生的平衡材料和产品的不稳定力状态。当物体受到外部力的影响时，动作力与残余力相互作用，部分局部呈现出塑性变形，内应力重组。去除外力作用后，整个物体变形。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;残余应力还是影响零件几何尺寸稳定性的主要因素;因此,有效地测量工件的残余应力具有重大意义。为了确保工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残余应力的测量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射线法和超声法发展较为成熟。目前,国内外常用测定残余应力的方法原理和应用现状如下。1.1钻孔残余应力检测钻孔法测量最早是由JMathar在1934年提出的,后由Soete发展完善而形成系统理论。其基本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分布图如图2所示。清华大学戴福隆教授等在云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光焊接接头的残余应力测量。1.2同族晶面间距的测量俄国学者于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昂贵的X射线衍射仪。1.3界折射纵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度不同,利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力。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;DEBray等探讨了织构对临界折射纵波的影响,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种方法测试的结果具有较好的一致性。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、科研院所等各个部门具有十分广阔的应用前景。1.4残余应力的测量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料。2一些新的残余应力测量方法2.1残余应力的检测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来测定相应的应变、位移等量值,进而分析和计算残余应力。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45mm厚铝合金预拉伸板7050-T7451内部残余应力的分布规律。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待更深入研究。2.2薄膜-比合测量硬质薄膜良好的耐磨、耐腐蚀等特性使其被广泛应用于金属材料的防护,但研究发现:该薄膜的沉积态中存在较大的残余应力,且沿层深分布不均匀,因此硬质薄膜中残余应力的精确测量、其与沉积工艺关系的研究,对优化硬质薄膜-基体系统的性能意义重大。2008年赵升升等在基片弯曲法的基础上,提出并研究了一种测量硬质薄膜残余应力的新方法——剥层曲率半径法,设计了一套高精度的光杠杆测量系统用来测定试片的曲率半径,从而提高测量精度。该方法的基本原理是:采用双面镀膜(双面薄膜内应力共同作用,基片不会产生弯曲现象)的基片,用合适的化学腐蚀液对基片的一个面进行剥离,并利用光杠杆测量系统测定剥离前后基片弯曲曲率半径的变化和薄膜厚度,利用推导公式即可得到所求残余应力。该方法消除了基片在镀膜过程中由于塑性变形而产生的误差,精确地计算了硬质薄膜的平均残余应力,且测量结果可靠并有很好的重复性。2.3轴向力下固支梁的不定径分子法固支梁可有效地用于应力测试,若该结构中存在残余拉应力,选择弯曲测试方法;而存在残余压应力时,选择临界挠曲法;但是上述方法缺少独立测试的能力,测试过程需要配合应力性质的测试方法才能完成。针对此,徐临燕等提出了共振频率法,该方法基于显微激光多普勒技术,其基本原理是:基于横向弯曲振动理论建立轴向力作用下固支梁的振动偏微分方程,由轴向力的拉压性质求解方程的唯一解形式;再根据梁的应力状况确定选择最优化方法还是数值迭代方法计算残余应力值。其用该方法测量了PECVD方法加工制备的SiC-W双层固支梁谐振器的残余应力,并结合有限元模态分析方法验证计算结果的正确性,最后采用MicroLD测振系统测试谐振器的幅频响应特性。结果表明:被测梁的平均残余应力分散性较大,即说明加工工艺不能消除结构内的残余应力,且无法控制残余应力的均匀性。2.4纳米薄膜力学性能的研究随着微电子技术和微系统的发展,材料的微观力学性能研究随之发展起来,纳米压痕技术应运而生,其具有无损、可在很小的局部范围内测试材料力学性能等优点。通过压痕实验可连续测定材料的载荷-位移曲线,如图4所示,进而评定其硬度、弹性模量、塑性等性能。纳米压痕技术的常用理论方法有经典力学方法(Olive和Pharr方法)、应变梯度塑性理论、Hainsworth方法、体积比重法和分子动力学模拟方法,此外有限元也常用于薄膜/基体组合体系的压痕试验数值模拟。压痕残余应力测定法是采用硬度试验方法、借鉴盲孔法的应变测量思想、根据应力场干涉理论而形成的一种全新的残余应力测量方法。纳米压痕技术的显著特点在于其极高的力分辨率和位移分辨率,能连续记录加载和卸载期间载荷和位移的变化(如图4示),从而使该技术适合于薄膜材料力学性能的测量,此外该技术还广泛应用于微机电系统中微构件、薄膜涂层、特殊功能材料和生物组织等的力学性能研究。目前,国际上该方法用得较多的是球型压头,相应的理论和试验较成熟。国内,2008年章莎等人用纳米压痕法测量了电沉积镍镀层的残余应力,用2种理论模型对5种电沉积镍镀层在不用压痕深度处进行了测量,并与X射线法的测量结果做了比较,表明两种结果相近。2.5基于残余拉/压应力的计算机仿真由于试验方法费用较高且消耗时间较长,所以有学者提出用计算机模拟技术分析残余应力,该技术不仅可以计算给定条件下的残余应力场,且可以研究残余应力的形成与演化规律。李金魁等利用有限元计算了不同喷丸强化工艺下的残余应力场,并在此基础上建立了残余拉/压应力之间的经验关系;郭万林针对不同材料的孔冷挤压强化的残余应力分布状态,采用计算机仿真方法进行了相关研究。2006年谭森在微纳米压痕实验基础上,结合有限元仿真分析测量了材料表面残余应力,研究结果证明了有限元仿真压痕实验结果的可靠性和微纳尺度下压痕法测量材料表面残余应力的可行性。2007年丁辉在多尺度仿真方法的基本原理及主要技术的基础上,验证了其在纳米级介质力学上应用的有效性,并将多尺度仿真技术运用到超精密切削过程中且实现了相关多尺度仿真程序;然后提出了一种用于切削表面残余应力测量的算法,并将其在MATLAB平台上实现,经过对仿真数据处理,得到不用切削参数下的残余应力幅值及其所达到的深度值,并采用统计和回归分析方法得到了残余应力幅值及其深度回归方程。2.6微机械薄膜残余应力的求解近年来,提出的残余应力测量的其他方法有:多孔差方法、临界屈曲法、积分法、等达因法等。其中,多孔差方法是建立试样的三维静力平衡方程的偏微分方程,并用有限差分法解该方程,通过测量孔深来计算应力;虞益挺等于2007年提出了利用屈曲变形法在线测量微机械薄膜残余应力的新结构,并采用有限元方法计算出残余应力;廖凯等人在积分法的基础上,将线性积分形式在层削法数学模型中的应用进行延伸和分析,并结合积分法计算过程中多项式阶次选择且对计算结果进行了比较分析;等达因法是由激光散光法发展而来,该方法不需使用大功率激光器、其条纹无畸变以