一文读懂金属材料残余应力的无损检测方法
残余应力是指在没有外力或外力矩作用的条件下，构件或材料内部存在并且自身保持平衡的宏观应力。微观上不同原子或者同种原子不同排列方式，造成材料成分或者结构上的不均匀性，导致原子间相互作用力的变化，宏观上形成残余应力。铸造、锻压、焊接、喷涂以及各类机械加工成型过程中都会导致材料出现残余应力。残余应力会引起结构件及模具变形，形状与尺寸准确度变差;在残余拉应力条件下的腐蚀环境中会引起应力腐蚀;大锻件去除应力不及时，残余应力过大会导致断裂等等。研究表明，在工件中引入适当大小的残余压应力可以延长其疲劳寿命。如抛丸处理以及适当的磨抛处理可以使工件表面形成压应力层，这层压应力可以抑制裂纹的萌生与扩展，从而提高工件寿命。因此准确测定残余应力的大小与分布，在工程领域有着重要的应用前景。残余应力的测定技术始于20世纪50年代，发展至今共形成了数十种测定方法。其中又分为有损测试和无损测试。有损测试分为部分释放法、完全释放法等;无损测试分为压痕应变法、X射线衍射法、超声法、磁性法、同步辐射法与中子衍射法等。以下将做详细介绍：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。有无损、操作简单、适用范围广、精度高等优点。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。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。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。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。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》。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。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. 。
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。
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。
基于此，我国现行标准GB/T 7704-2008显然不够完善，在测定原理、方法、仪器选择和数据处理等多方面都存在有待改进的地方。因此，2012年，在国家无损检测标委会的直接推动下，国家标准化委员会批复同意启动了GB/T 7704-2008的修订工作。最终于2015年12月完成了标准的修订工作，即现行的GB/T 7704-2017。
最新修订的GB/T 7704中增加了大量术语和定义(三维应力、设备、方法相关)，使得过去一些含糊不清的描述表达变得规范化。为了使标准的应用更为广泛，新国标中增加了三维残余应力的理论计算方法以及具体测定流程，以帮助广大X射线应力测试工作者正确理解和执行标准，为获得比较可靠的试验结果提供了必要的理论解惑和技术支持。根据衍射装置的几何布置不同，GB/T 7704-2017新标准中将应力测定方法分为7类，分别是：同倾固定ψ0法(ω法)、同倾固定ψ法(θ-2θ扫描法)、侧倾法(χ法)、双线阵探测器ω法、双线阵探测器侧倾法(修正χ法)、侧倾固定ψ法(θ-θ扫描ψ法)、粗晶材料摆动法。不同方法的衍射仪的原理和结构如图2-图6所示。
摆动法是在前面方法的基础上使X射线管和探测器在ψ平面内左右回摆一定的角度来增加材料中参加衍射的晶粒数的一种方法，主要应用于解决粗晶材料的应力测定问题。
cosα方法是一种新的X射线测定残余应力的方法，α指德拜环上的任一角度。当材料中存在残余应力时，德拜环半径会发生变化，如7所示。在cosα方法中，德拜环通过面探测器进行接收，因此待测平面上α=0~360°上的应变可以快速地测定出来。
与 sin2ψ方法相比，cosα方法是基于德拜环的分布来计算残余应力，因而具有诸多优点。基于德拜环的方法可以获得X射线在给定入射角的全部衍射德拜环，即提高了测定速率，又摆脱了测角仪的束缚，扩大了传统X射线法测定残余应力的应用范围，在整个德拜环上可以采集多个数据点，进行数据拟合时误差更小，测定数据可靠性更好。
cosα方法适用于现场复杂场景下的残余应力测定，是最具有发展潜力的一种测试方法。不过由于cosα方法检测设备刚推向市场，没有普及，缺乏相关标准和验证，因此还存在市场认可等问题。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。但是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》。金属磁测法是一种新型的无损检测方法，基于自发磁化漏磁场，在不考虑结构变化的情况下获得应力状态，确定金属结构的缺陷和异质性，并可以识别弹性变形，确定金属滑动的平面以及疲劳裂纹发展的面积，实现构件或设备的早期诊断。
金属磁测法虽然应用时间较短，但已经有比较成熟的检测设备，通过磁场测量评估应力集中区，可早期预测损伤部位，但是目前还不能够实现定量化检测。
残余应力对于工件质量、寿命有着重要影响，其测定理论与方法也多种多样。随着技术条件的进步，残余应力的测定也变得越发简单、精确，例如从位敏探测器升级到线阵探测器，结合机器人可以灵活地对不同的测试位置进行测定，测定的效率从数十分钟缩减到数十秒钟，实现了测定效率的极大提高。但是，不同的残余应力测定方法的适用范围有着较大的差距，因此需要根据相关技术要求来选择，如精度、范围、试样破坏性以及现场条件等。根据目前残余应力测定的标准以及技术手段来推断，未来无损法测定残余应力的发展空间更大。
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