分享：深孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的可靠性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

殘余應(yīng)力是材料在加工過程中因不均勻塑性變形或熱作用產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命、尺寸穩(wěn)定性和抗斷裂性能具有顯著影響，尤其在核電、航空航天、船舶等領(lǐng)域的厚板結(jié)構(gòu)中，準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)部殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估至關(guān)重要。傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法有中子衍射法[1-2]、X射線衍射法[3-4]、輪廓法[5-6]及R-N切割法[7-8]，這些方法存在設(shè)備昂貴、測(cè)試周期長(zhǎng)或破壞性較大等不足。深孔法作為一種局部破壞性的內(nèi)部殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，具有成本低、測(cè)試周期短、操作便攜及測(cè)量深度范圍較寬（目前可達(dá)200 mm）等優(yōu)勢(shì)，在厚板結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力評(píng)價(jià)中備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)學(xué)者陳靜等采用優(yōu)化的環(huán)向套孔和分步環(huán)向套孔工藝，成功地將高應(yīng)力區(qū)的測(cè)量誤差降低了約20%，并通過有限元驗(yàn)證了深度方向應(yīng)力分布的一致性。不過，深孔法在三維殘余應(yīng)力場(chǎng)（如厚度方向應(yīng)力σz）及新型復(fù)合材料（如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）中的測(cè)量誤差仍需進(jìn)一步研究和控制。筆者綜合近年來(lái)深孔法的研究進(jìn)展，系統(tǒng)闡述了深孔法的基本原理，探討了深孔法的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向。 

1.   深孔法基本原理

深孔法基于彈性應(yīng)力釋放理論，通過測(cè)量套孔前后參考孔直徑的變化量來(lái)計(jì)算獲得內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布特征。其基本測(cè)量步驟如圖1所示。 

圖  1  深孔法的基本測(cè)試步驟示意

1.1   制作參考孔

在待測(cè)位置鉆取直徑為3 mm的參考孔。參考孔的制作原則是直徑越小越好，但是需要保證測(cè)量需求，比如保證測(cè)量重復(fù)性誤差不大于0.5 μm。 

1.2   初始孔徑測(cè)量

使用高精度孔徑測(cè)量?jī)x測(cè)量不同深度和角度參考孔的初始直徑。初始孔徑測(cè)量記錄的是應(yīng)力未釋放前的孔徑，測(cè)量值的穩(wěn)定性直接反映了參考孔的質(zhì)量和應(yīng)力測(cè)量誤差的大小。 

1.3   套孔

采用線切割或電火花技術(shù)移除與參考孔同軸的圓柱環(huán)（直徑為10 mm），目的是使參考孔周圍的應(yīng)力完全釋放。套孔工藝是深孔法的關(guān)鍵工藝，尤其是在高應(yīng)力場(chǎng)中，解決孔邊塑性變形問題并保證厚度方向孔徑變形的協(xié)調(diào)性是至關(guān)重要的。 

1.4   最終孔徑測(cè)量

再次測(cè)量套孔后的參考孔直徑，獲得套孔前后的孔徑變化量，通過位移-應(yīng)變計(jì)算公式獲得不同位置、不同角度的應(yīng)變，再依據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式計(jì)算殘余應(yīng)力。 

基于彈性應(yīng)力釋放理論，平面應(yīng)力場(chǎng)中深孔法的殘余應(yīng)力計(jì)算公式如式（1）所示。 

式中：σx為θ=0°的應(yīng)力；σy為θ=90°的應(yīng)力；τxy、εx、εy、εxy為相應(yīng)的切應(yīng)力和各方向的應(yīng)變；E為材料的彈性模量；M2D和M2D*為與角度相關(guān)的計(jì)算矩陣；d0和d'為套孔前后參考孔的直徑；εr為參考孔徑向應(yīng)變；zi為參考孔不同深度位置；θn為參考孔不同深度的不同角度。 

2.   國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)深孔法的研究重點(diǎn)集中在復(fù)雜結(jié)構(gòu)與新型復(fù)合材料的驗(yàn)證及應(yīng)用拓展方面，其套孔工藝主要采用軸向套孔方式。MAHMOUDI等[9]提出了沿深度方向的逐層套孔工藝，通過在深度方向上分步釋放應(yīng)力并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，有效降低了塑性變形對(duì)測(cè)量結(jié)果誤差的影響。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合有限元分析與中子衍射測(cè)量結(jié)果，將增量套孔法（iDHD）應(yīng)用于雙軸高應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中。與傳統(tǒng)的深孔法相比，iDHD在高應(yīng)力測(cè)量場(chǎng)景下顯著提升了測(cè)量準(zhǔn)確性。不過需要注意的是，在實(shí)施分步軸向套孔操作時(shí)，需對(duì)孔徑的峰值變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以準(zhǔn)確獲取彈性應(yīng)力釋放數(shù)據(jù)，這也使得iDHD在實(shí)際操作中存在一定的應(yīng)用局限性。 

HOSSAIN等[10]提出了分步套孔工藝，該工藝通過有針對(duì)性地切除測(cè)量區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)周圍的材料來(lái)釋放部分應(yīng)力，因此也可將其稱為過量套孔工藝。HOSSAIN通過構(gòu)建淬火模型和焊接模型，對(duì)深孔法與分步套孔法（oDHD）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。從應(yīng)力分布曲線可以清晰地看到，oDHD能夠確保淬火結(jié)構(gòu)或焊縫中較高的殘余應(yīng)力按順序分步實(shí)現(xiàn)彈性釋放，這一特性極大地提高了測(cè)量精度。 

BATEMAN[11]將深孔法應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域，并借助有限元法構(gòu)建了適用于正交各向異性材料的應(yīng)力計(jì)算矩陣系數(shù)，為大厚度復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力評(píng)估提供了切實(shí)可行的解決方案。 

3.   國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

中國(guó)學(xué)者在深孔法技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。張炯等[12]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，從實(shí)測(cè)角度驗(yàn)證了深孔法在應(yīng)力梯度場(chǎng)中的適用性，研究表明，可借助定位塊等裝置降低孔邊塑性變形的影響，為應(yīng)力梯度場(chǎng)景下的測(cè)量提供了改進(jìn)方案。廖凱等[13]利用有限元模擬方法系統(tǒng)分析了不均勻應(yīng)力場(chǎng)中表面應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力的相互約束對(duì)深孔法測(cè)量結(jié)果的影響，提出了應(yīng)變擬合修正方法，該方法通過數(shù)據(jù)修正有效提升了殘余應(yīng)力的測(cè)量精度。李侯君[14]首次將深孔法應(yīng)用于復(fù)合材料的殘余應(yīng)力檢測(cè)，為該方法在新型材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力評(píng)價(jià)中開拓了新方向，奠定了重要研究基礎(chǔ)。在深孔法的工藝優(yōu)化與創(chuàng)新研究方面，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所[15-17]開展了很多工作，其成果為深孔法技術(shù)的迭代與拓展應(yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。 

3.1   關(guān)鍵工藝改進(jìn)

趙美娟、陳靜等提出了環(huán)向套孔及分步環(huán)向套孔工藝，該工藝可將高應(yīng)力區(qū)（應(yīng)力大于0.6σs）的測(cè)量誤差降低約 20%，并通過有限元分析驗(yàn)證了深度方向應(yīng)力分布的一致性。 

軸向套孔工藝采用沿厚度方向逐層套孔的方式，是國(guó)外深孔法研究中常用的套孔工藝。該工藝適用于彈性應(yīng)力場(chǎng)，但在高應(yīng)力（應(yīng)力大于0.5σs）環(huán)境下，容易因塑性變形而發(fā)生測(cè)量誤差顯著增大的問題。 

環(huán)向套孔工藝以參考孔為中心，采用電火花環(huán)切技術(shù)，使圓周方向各角度位置的應(yīng)力隨環(huán)切過程逐步均勻釋放。這一方式顯著提升了高應(yīng)力區(qū)（應(yīng)力不小于0.6σs）的測(cè)量精度，且應(yīng)力水平越高，環(huán)向套孔的優(yōu)勢(shì)越明顯（具體效果見圖2[14]）。 

圖  2  軸向套孔和環(huán)向套孔工藝的結(jié)果對(duì)比

與傳統(tǒng)的軸向套孔工藝相比，環(huán)向套孔工藝不僅測(cè)量精度更高，還具備成本較低的優(yōu)勢(shì)，為高應(yīng)力場(chǎng)景下的應(yīng)力測(cè)量提供了更優(yōu)的技術(shù)方案。 

在高應(yīng)力狀態(tài)下，分步環(huán)向套孔工藝通過分階段釋放參考孔周圍應(yīng)力來(lái)提升測(cè)量精度。具體而言，首次套孔可釋放初始應(yīng)力的50%，二次套孔則促使剩余應(yīng)力實(shí)現(xiàn)彈性釋放，使高應(yīng)力場(chǎng)景下的測(cè)量準(zhǔn)確度顯著提高。 

表1給出了一定應(yīng)力場(chǎng)中不同套孔工藝下的測(cè)量誤差，其中分布套孔工藝1首次應(yīng)力釋放約85%，分步套孔工藝2首次應(yīng)力釋放約55%，分步套孔工藝3首次應(yīng)力釋放約70%。綜合分析比較，分步套孔工藝2最優(yōu)，不過分步套孔的工藝控制與待測(cè)區(qū)域的應(yīng)力水平和高應(yīng)力區(qū)域的面積是相關(guān)的。 

3.2   誤差控制

（1）角度偏差。測(cè)量結(jié)果的角度偏差體現(xiàn)在套孔前后參考孔孔徑測(cè)量角度偏差和主應(yīng)力方向與測(cè)量方向的偏差。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)以上兩者的角度偏差保持在6°以內(nèi)時(shí)，最大測(cè)量誤差可控制在1%。目前的檢測(cè)技術(shù)完全可以滿足此項(xiàng)參數(shù)要求。 

（2） z向應(yīng)力的影響。z向應(yīng)力（厚度方向應(yīng)力σz）對(duì)假定平面應(yīng)力測(cè)量的影響比較復(fù)雜，其影響程度與原始應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。研究表明，在原始應(yīng)力完全彈性釋放的情況下，或是當(dāng)z向應(yīng)力導(dǎo)致的變形與平面應(yīng)力場(chǎng)引起的參考孔徑變形狀態(tài)一致時(shí)，z向應(yīng)力給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的誤差較??；反之，若不滿足上述條件，誤差則會(huì)顯著增大。圖3為單向拉伸應(yīng)力場(chǎng)中σz對(duì)測(cè)量結(jié)果誤差的影響。 

圖  3  單向拉伸應(yīng)力場(chǎng)中σz對(duì)測(cè)量結(jié)果誤差的影響

（3）粗糙度的影響。當(dāng)參考孔的孔徑測(cè)量精度要求達(dá)到0.1 μm時(shí)，孔內(nèi)部粗糙度會(huì)從兩個(gè)方面影響應(yīng)力測(cè)量結(jié)果：一是粗糙的孔壁會(huì)使測(cè)量?jī)x器觸頭或光學(xué)探頭產(chǎn)生接觸偏差，直接影響孔徑讀數(shù)的準(zhǔn)確性；二是孔壁表面的凹凸不平會(huì)導(dǎo)致多次測(cè)量數(shù)據(jù)離散，降低結(jié)果的重復(fù)性。圖4為不同材料參考孔的孔徑測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與孔壁粗糙度的關(guān)系（括號(hào)內(nèi)數(shù)值為粗糙度具體值）。 

圖  4  不同材料參考孔的孔徑測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與孔壁粗糙度的關(guān)系

3.3   工程應(yīng)用

陳靜團(tuán)隊(duì)運(yùn)用深孔法對(duì) Q345 鋼焊接試板進(jìn)行研究，精準(zhǔn)表征了焊縫熱處理前后的殘余應(yīng)力分布特性。他們發(fā)現(xiàn)焊接態(tài)的應(yīng)力峰值高達(dá)材料屈服強(qiáng)度的90%，而經(jīng)過熱處理后，應(yīng)力峰值顯著降至材料屈服強(qiáng)度的10%以下，具體結(jié)果如圖5所示。深孔法已在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用，包括高壓渦輪盤（見圖6）、鋁合金反射鏡、大厚度焊接結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等，用于壽命評(píng)估和尺寸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。其適用材料范圍也不斷拓寬，從合金結(jié)構(gòu)鋼、碳鋼，逐步擴(kuò)展到高溫合金、鑄鐵、鈦合金、鋁合金等多種材料。 

圖  5  Q345焊接試板的內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律

圖  6  某高溫合金盤件的內(nèi)部殘余應(yīng)力分布曲線

目前，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）均未發(fā)布深孔法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所正牽頭編制《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 深孔法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)旨在統(tǒng)一深孔法的操作流程，明確技術(shù)指標(biāo)要求，從而充分發(fā)揮深孔法在智能化制造領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的規(guī)范化應(yīng)用。 

4.   深孔法技術(shù)發(fā)展方向

4.1   現(xiàn)存問題

深孔法在測(cè)量較大應(yīng)力梯度或三維應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，仍存在一定的測(cè)量誤差。未來(lái)可結(jié)合有限元分析，著重完善關(guān)鍵工藝，再基于分析結(jié)果對(duì)高應(yīng)力下的應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行修正，以此構(gòu)建更貼合實(shí)際的計(jì)算模型，最終有效提高測(cè)量精度。高精度孔徑測(cè)量?jī)x的成本較高，同時(shí)深孔法測(cè)試要求檢測(cè)人員具備較強(qiáng)的測(cè)量誤差判斷與分析能力。上述兩方面要求在一定程度上限制了深孔法的應(yīng)用。 

4.2   發(fā)展方向

（１）多技術(shù)融合。將中子衍射、輪廓法等殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多尺度應(yīng)力的交叉驗(yàn)證與精準(zhǔn)測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，采用多種檢測(cè)手段對(duì)服役結(jié)構(gòu)件開展全方位、系統(tǒng)性的壽命評(píng)價(jià)，可以更科學(xué)地掌握結(jié)構(gòu)件的服役狀態(tài)與壽命周期。 

（２）智能化升級(jí)。研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)流程的自動(dòng)化設(shè)備，融入人工智能數(shù)據(jù)分析算法與誤差評(píng)估模型，通過智能分析和實(shí)時(shí)反饋，有效提升應(yīng)力評(píng)價(jià)的效率與精度。 

（3）積極拓展深孔法的應(yīng)用領(lǐng)域，探索其在復(fù)雜增材制造、復(fù)合材料等新興材料及結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的適用性。針對(duì)核心關(guān)鍵零部件，結(jié)合深孔法應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建綜合整體評(píng)估體系，發(fā)揮其在服役性能、壽命周期等方面的預(yù)判作用，為新材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及關(guān)鍵零部件的安全可靠性評(píng)估提供有力支撐。 

5.   結(jié)語(yǔ)

深孔法憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為檢測(cè)重要結(jié)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的主要方法。國(guó)內(nèi)外研究成果顯示，優(yōu)化套孔工藝可以控制誤差因素，大力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并進(jìn)一步釋放深孔法在工程應(yīng)用中的潛力。展望未來(lái)，還需深入探索基礎(chǔ)理論計(jì)算公式在新型結(jié)構(gòu)材料中的適用性與可靠性，同時(shí)構(gòu)建穩(wěn)定的檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，從而契合高端裝備制造對(duì)高精度殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)的要求。

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