一、殘余應(yīng)力簡介

固體材料在生產(chǎn)制造和工作過程中，不可避免的會受到各種加工工藝和服役環(huán)境的作用，這些過程中都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是指在構(gòu)件加工或成形過程中，由于不均勻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場和組織不均勻性，在形變后的變形體內(nèi)保留下來的應(yīng)力，是材料的固有屬性。

按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通?？蓪⑵浞譃槿N：

（1）第一類內(nèi)應(yīng)力是宏觀殘余應(yīng)力，這類應(yīng)力是由工件的宏觀變形不均勻而引起的，嚴(yán)重影響了工件的尺寸穩(wěn)定性和使用安全性。

（2）第二類內(nèi)應(yīng)力是微觀殘余應(yīng)力，這類應(yīng)力是由材料的晶?；騺喚ЯＶg的不均勻性變形引起的，殘余應(yīng)力過大會產(chǎn)生局部的微裂紋，并逐漸向大裂紋擴展。

（3）第三類內(nèi)應(yīng)力是點陣畸變，這類殘余應(yīng)力是工件在發(fā)生塑性變形時，形成的大量點陣缺陷引起的。

通常工程上所說的殘余應(yīng)力指的是第一類宏觀殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的存在不僅會降低工件靜強度和疲勞強度，使其在制造和使用時產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷，而且在制造后的自然釋放過程中使材料的抗腐蝕能力受到影響。

二、殘余應(yīng)力檢測方法概述

殘余應(yīng)力的存在大多具有危害性，因此殘余應(yīng)力的檢測經(jīng)過多年的發(fā)展，如今已形成無損、微損傷和有損傷等三類檢測方法，如表1所示。其中，有損傷與微損傷檢測法又可稱為機械檢測法。無損檢測法又可稱為物理檢測法，包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法、磁性法和渦流法，這些方法通常是測量一些與應(yīng)力有關(guān)的物理參數(shù)。

表1

由于有損傷和微損傷檢測法都或多或少的造成被測件損傷，這些損傷對于服役狀態(tài)下的工件或成品零部件都是致命的。因此，機械檢測法不能有效反映成品零部件的殘余應(yīng)力狀態(tài)，更不能實時檢測或監(jiān)測服役狀態(tài)下的工件殘余應(yīng)力或載荷應(yīng)力。

殘余應(yīng)力無損檢測方法具有先天優(yōu)勢，它在不損害和不影響被測件使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在殘余應(yīng)力，給出殘余應(yīng)力的大小、方向和位置等信息。

射線（X/中子）衍射檢測殘余應(yīng)力方法的測量精度很高（高達±5MPa），檢測的是微觀殘余應(yīng)力，國內(nèi)外已建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且在廣泛使用，但是其檢測區(qū)域僅限于材料表面和亞表面的晶格結(jié)構(gòu)，檢測時要求對材料表面要化學(xué)清洗致裸露出晶體，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性受晶粒尺寸、表面粗糙度和表面曲率等因素影響，也受到儀器設(shè)備體積重量制約和操作復(fù)雜性的限制，不適于現(xiàn)場檢測應(yīng)用。

巴克豪森效應(yīng)檢測殘余應(yīng)力檢測的是鐵磁性材料中存在的宏觀殘余應(yīng)力，這種方法只適用于鐵磁材料，檢測精度受材料顯微結(jié)構(gòu)的影響較大，還受位移間隙、表面粗糙度、材料剩磁和環(huán)境磁場等因素的影響，目前定量校準(zhǔn)和殘余應(yīng)力量化檢測困難，實際現(xiàn)場應(yīng)用也受到一定限制。

由于上述各殘余應(yīng)力檢測方法都存在一定的局限性，因此利用超聲波檢測殘余應(yīng)力就進入了國內(nèi)外各個學(xué)者的研究課題之中。

三、殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)簡介

超聲波檢測材料殘余應(yīng)力是利用超聲波在含有殘余應(yīng)力的材料中傳播時，傳播速度、頻率、振幅、相位和能量等參量會發(fā)生變化，具體參量變化如下:

①     聲速與應(yīng)力的關(guān)系，即聲彈性效應(yīng)，是通過測量超聲在有應(yīng)力工件內(nèi)聲速的變化來反映出應(yīng)力大?。?/span>

②    超聲非線性系數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系，應(yīng)力與由應(yīng)力導(dǎo)致的非線性超聲高次諧波系數(shù)呈一定關(guān)系；

③    角度的測量，縱波斜入射產(chǎn)生表面波的入射角與殘余應(yīng)力有線性關(guān)系；

④    聲衰減；

⑤    聲束相互作用；

⑥    頻譜測定，橫波受應(yīng)力作用分解為快慢兩束橫波，兩橫波傳播時相互干

涉，通過測量兩橫波的合成回波的功率譜來表征殘余應(yīng)力分布。

目前，上述方法③～⑥由于所需機械裝置復(fù)雜、檢測精度差而逐漸不被研究，方法①通過聲彈性效應(yīng)研究應(yīng)力的檢測成為最主要和實用的途徑。相比其它殘余應(yīng)力無損檢測方法，超聲波法具有檢測速度快、人體無輻射傷害、成本低、擁有較佳的空間分辨率和較大范圍的檢測深度、可實現(xiàn)現(xiàn)場手持便于攜帶、能夠完成表面及次表面宏觀殘余應(yīng)力大小與拉壓狀態(tài)的檢測等諸多優(yōu)勢。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、壓力容器、石油、水電、高鐵等領(lǐng)域，已經(jīng)完成了杭州G20會議鋼結(jié)構(gòu)、北京首都新機場鋼結(jié)構(gòu)、水力發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪等大型項目的測試。

圖1： 管道焊接超聲殘余應(yīng)力檢測現(xiàn)場圖

                                                      圖2：車體焊接超聲殘余應(yīng)力檢測

五、結(jié)語

機械構(gòu)件在冷、熱加工過程中都會不同程度地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在對構(gòu)件的靜態(tài)強度、疲勞強度、結(jié)構(gòu)變形和使用壽命等方面有著重大的影響，因此，在構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和服役過程中必須予以充分重視；利用先進的殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)檢測構(gòu)件、設(shè)備在制造和使用過程中的殘余應(yīng)力值，為下一步消除應(yīng)力、調(diào)控殘余應(yīng)力提供依據(jù)和檢測手段，對于保障構(gòu)件和設(shè)備生產(chǎn)制造、安全使用、延長壽命等方面都有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。