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应力无损测试-残余应力测定的方法分为哪几种?
新闻出处:   2022-11-05 17:05:00
根据文献描述,残余应力的测定技术出现于上个世纪50年代,自那时起发展至今共已有七十年的时间了,在这个过程中形成了数十种测定方法,这些方法又分为应力有损测试和应力无损测试。其中应力有损测试大致分为部分释放法、完全释放法等。而应力无损测试有压痕应变法、X射线衍射法、超声法、磁性法、同步辐射法与中子衍射法等方法。我们主要描述的是应力无损测试的几种方法,接下来我将对这些方法进行详细描述,主要从每种方法的优缺点两个方面来描述:

1、压痕应变法
压痕应变法是一种利用球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法。
(1)优点:有无损、操作简单、适用范围广、精度高等优点。
(2)缺点:只能用于平面应力的测定,对测量数据的处理比较复杂。

2、超声法
(1)优点:由于超声波的方向性好、穿透能力强、可以沿试样表面传播,因此可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力,环形件残余应力测定也十分适用,故而,在焊缝、齿轮、螺栓、钢轨等方面有着重要的实际应用。具有便携、方便与现场在线测试的优点。使用注意:超声波速度受材料各向异性、环境温度、探头与构件之间声耦合较大,因此超声法在测定应力时需做标定试验。
(2)缺点:超声法主要应用于大范围体积内残余应力的测量,无法获得局部残余应力的大小与状态分布。
(3)分类:根据原理不同,超声法测定残余应力又可分为六种:临界折射纵波法、反射纵波法、声双折射法、表面波法、电磁超声法、激光超声法。其中较为成熟的是临界折射纵波法。
(4)国家标准:超声法的相关国家标准有GB/T 32073-2015 《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》。

3、X射线衍射法
X射线法是由俄国学者于1929年提出,经过多年发展,理论与实际测定方法都较为成熟,是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法。
(1)原理:X 射线衍射法测量残余应力是基于X 射线衍射理论。当一束波长为λ 的X 射线照射在晶体表面时,会在特定的角度(2θ)上接收到X 射线反射光的波峰,这就是X 射线衍射现象。其中衍射角2θ与 X射线的波长λ、衍射晶面间距d之间遵从著名的布拉格定律:2dsinƟ=nλ. 。
公式中,K 为弹性常数,当入射线的波长选定之后(λ 一定),通过测定衍射角θ,即可由布拉格方程得到受力之后的晶面间距,继而得到相应的残余应力值。这里需要指出的是由于晶体是各向异性的,因此弹性常数K 和宏观意义上的弹性模量E 是不同的,需要根据所选择的衍射晶面来计算出弹性常数K。
1961 年德国学者Macherauch 结合弹性理论和布拉格方程提出了测二维残余应力的sin2ψ法。
根据ψ平面与测角仪2θ扫描平面的几何关系,分为同倾法与侧倾法两种测试方式,精准检测工件表面应力。
(2)标准:依据X射线衍射法的原理,欧盟、美国材料协会等组织机构都制定了相关标准,例如ASTM E2860-2012《Standard Test Method for Residual Stress Measurement by X-ray Diffraction for Bearing Steels》,EN 15305-2008《Non-destrutive Testing-Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction》,ASTM E1426-2014《Standard Test Method for Determining the X-ray Elastic Constants for Use in the Measurement of Residual Stress Using X-ray Diffraction Techniques》等。

4、同步辐射法、中子衍射法
(1)优点:中子衍射法测定残余应力的原理与X射线法的一致,不同的是,中子的穿透能力更强,对于大多数工程材料而言可以达到厘米级别,因此中子衍射法可以测得试样内部更深处的应力分布。
(2)缺点:中子源的建造以及运行费用昂贵,无法进行现场实时测定,因此中子衍射法目前主要应用于工程和基础科学研究,相关的测试标准有:ISO/TS 21432:2005《Non-destructive Testing-Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Neutron Diffraction》以及等同采用的国标GB/T 26140-2010《无损检测测量残余应力的中子衍射方法》。

所以,综上所述,应力无损测试的应用更加广泛,优点也更加明确,并且在不同的应用场合下,我们应该选择最合适的方法进行测试。