残余应力检测与消除方法的研究

残余应力检测与消除方法的研究

邓淋方

（1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；)

摘要: 残余应力的存在会严重影响工件的强度及相关性能，对残余应力的检测及消除方法的研究具有重要 的理论意义及工程应用价值。从残余应力的概念及形成原因入手，介绍了钻孔法、X射线衍射法、磁测法、超声波检测法等测量残余应力的手段以及研究发展现状；同时阐述了热处理法、振动时效法、超声波冲击 法等消除残余应力的方法。

关键词：：残余应力；钻孔法；X 射线衍射法

Research on the method of detecting and eliminating residual stress

0引 言

残余应力是指消除外力或不均匀的温度场等作用后，仍留在物体内的内应力。焊接、锻压、切削加工、喷丸、金属热处理等产生不均匀塑性变形或相变的行为都能引起残余应力。残余应力一般是有害的，残余应力的存在严重影响工件的疲劳强度、耐腐蚀性能以及工件的精度，使工件在服役过程中产生变形和开裂，进而影响工件的使用寿命，因此对工件残余应力的测量以及消除，对于进一步完善工件制造工艺以 及保证工件使用安全具有重大意义。

1残余应力的检测

目前关于残余应力的检测方法主要分为机械测量法和无损测量法2大类。机械测量法是对工件进行切割或分离，使内部应力得到释放，测量工件的应变，从而计算出残余应力。机械检测法对工件本身会造成一定程度的破坏。常见的机械测量法包括钻孔法、切条法、套孔法等。无损测量法就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被测量对象使用性能的前提下，来测量残余应力的方法。无损测量法主要包括磁测法、X射线衍射法、超声波法等。

1.1 钻孔法

钻孔法的基本原理是在产生残余应力的工件表面钻一个小孔，小孔邻近区域应力得到释放，从而产生相应的应变，测量应变的大小，通过计算便可以得到钻孔深度方向的平均残余应力。该方法具有测量 精度高、操作方便、设备便宜等优点，被ASTM确定为标准的残余应力测量方法。 传统钻孔法只能测量工件表面层下沿深度均匀 变化的平均残余应力，对于非均匀残余应力其精度较 差，近年来逐步发展出一种新型的钻孔测量法：逐层钻孔法。逐层钻孔法是通过有限元法计算校准系数矩阵，构建的一种非均匀应力测试方法。钻孔法与其他方法相结合的测试方法应用也很广泛，如结合盲 孔法和 DIC 测量技术的DIC-盲孔法，该方法采用 DIC 测量技术代替了传统盲孔法中应变仪，使检测更 为简便、快捷。陈玲玲提出的结合电子散斑干涉法和钻孔法的残余应力测定方法，该方法利用半导体激光器，使光路和CCD布置在倾斜平面上，避开了钻孔 方向，从而可以实现单向压缩残余应力的实时测定。

1.2射线衍射法

     X射线衍射法的基本原理是根据弹性力学和 X 射线晶体学理论，理想晶体在不受应力的状态下，晶 体同一族的晶面间距是相等的，而受到残余应力的作用，晶面间距随残余应力的变化发生变化，根据这一特性，可以从 X 射线衍射谱线位移的大小计算出试样的残余应力。X射线衍射法测量残余应力对工件没有消损，测量结果较为精确，且可以重复测试，适用于具有良好晶体结构的材料，但该方法对试样尺寸和几何形状具有很大的限制，且测试所需的X射线衍射仪较为昂贵。

1.3磁测法

磁测法的基本原理是利用铁磁物质的磁致伸缩效应来测定应力，当铁磁体内部存在应力时， 铁磁体具有各向异性，不同应力状态的部位具有不同 的磁导率，实际试验中利用感应线圈中感应电流的变 化来反应磁导率的变化，由此可以进行残余应力的测量。磁测法具有无损、测量速度快、适合现场操作等 优点，但是其测量精度差，容易对环境造成污染且待测物质必须为铁磁材料。

1.4超声波检测法

超声波检测法是以材料声弹效应为基础（材 料上内应力的变化可以引起超声波在材料中传播速 度的变化），通过测定超声波在工件内部传播速度的变化，从而可以计算出残余应力。超声波法测 量法的优点有：① 超声波检测设备易于携带，可在现场操作，且安全无公害；② 超声波方向性好，可以实行定向发射；③ 超声波穿透能力较强，可以测定构件的表面和内部应力分布而不对构件造成损坏。 该方法的缺点是超声波法测量精度较低，因此，超声 波检测法在测量大型工件的三维残余应力方面很有 发展潜力。

2残应力的消除方法

沥青在路用使用过程中，需要长时间的暴露在外界，接触长期的紫外线光照，从而造成了沥青的老化，随之而来的就是沥青的使用功能的大幅下降，研究规律表明，目前较有效的办法就是向沥青混合物里增加抗紫外光照老化剂。

2.1自然时效法

自然时效法是最古老的一种消除残余应力的方法，该方法是将工件放置在户外，经过长久的温度变化，工件经受反复的温度压力，造成工件内金属晶格的滑移，从而达到消除残余应力的效果。这种方法效率低、耗时长、对应力的消除效果较差，只能达到10%左右，目前已经被逐渐淘汰。

2.2热处理法

热处理法消除残余应力的基本原理是把工件加热到略低于再结晶开始温度，保温后缓慢冷却。在加热保温过程中由于温度升高，金属原子运动能力上升，使工件中晶格缺陷减少，导致晶格弹性畸变能量降低，从而使得工件残余应力减少。热处理法消除残 余应力相对于自然时效处理周期大大缩短，但其消除 应力的效果并不理想，只有 10%~35%，且该方法能耗高、价格昂贵、污染严重，热处理后的材料机械 性能大大降低。

2.3振动时效法

超声波冲击法消除残余应力的基本原理就是以大功率超声波设备为动力源，推动冲击工具以 20 000 次/s以上的频率冲击工件表面，使工件发生塑性变形，从而降低内部残余应力。超声波冲击法最早由前苏联科学家提出，后于20世纪60年代在美国取得迅速发展，半个世纪以来超声波消除残余应力方法日趋完善，该方法使用方便、成本低、效率高、无污染目前该方法钢结构焊件中运用十分广泛。

3结 语

在冷热加工过程中，工件内部不可避免会产生残余应力，而残余应力的存在是影响工件质量不可忽视的因素。随着工件朝着精密化方向发展，人们对工件质量要求越来越高，残余应力的的检测与消除被提到了愈来愈重要的高度。文中从这2个方面讨论了目前关于残余应力检测和消除的若干技术方法的原理、特 点、应用场合及其发展，对于工程实际应用具有重要的参考价值。

参考文献:

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