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应力测试方法的现状及发展趋势

工业生产中，应力与应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和

飞机构件等重要承载结构件发生失效的主要原因之一。承载结构件由于加

工制造、焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载荷的作用下

产生应力集中都会使其机械特性发生改变，尤其会对承载结构件的力学性

能、耐腐蚀性、疲劳强度和形状精度等产生较大的影响。如何对结构件进

行应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域、快速有效的分析测

定结构件重要部分的应力与应变分布实现对结构件的强度分析，同时评估

结构件的使用状况和寿命实现早期诊断与监测，已成为亟需解决的问

题，也是近年来力学研究的主要方向。因此应力的测量及其状态评估一直

是国内外研究的热点。

1常用应力测试方法

应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。研究材料

的应力分布及应力状态下材料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现

的损坏或失效。而对于有益的物性改变，加以合理的利用可以增强材料的

机械性能，因此分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研

究与实际应用价值，应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前，常

用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、超声法及纳米压

痕法。

1.1机械法

●1.1.1小孔法

小孔法于1934年由德国学者J.Mather提出[1]，并由Soete发展完善，使

其具有实用性[2]。经过数十年的发展，美国材料试验协会（ASTM）于

1981年颁布了钻孔测量法残余应力标准（ASTME837—1981），并于

2008年更新为ASTME837—08[3]，将其确定为一种标准化的测试方法。

其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴

好的三向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量材料应力释

放前后的应变量，运用相应的应力学公式计算出对应的主应力值及主应力

方向。

根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法。根据钻孔方式不同，

小孔法又可分为钻孔开孔法、喷砂开孔法和高速透平铣孔法。其中钻孔开

孔法是小孔法测试残余应力中最简单的开孔方式，目前在我国实际生产中

已得到了广泛的应用，该方法测量方便，操作简单，且设备便宜，但钻孔

时孔壁受到钻头挤压会发生塑性变形产生附加应变，影响残余应力测量精

度。喷砂开孔法的特点在于开孔不受材料限制，加工应变很小，测量精度

高，但操作过程复杂，且不适用于较软材料或有应力梯度构件的测试。高

速透平铣孔法特点在于可在高硬度材料上铣孔，且加工应变很小，这是

由于铣孔转速高、进刀量小以及可采用特殊的倒锥型铣刀，同时高速铣平

钻孔装置使用也非常方便。因此，高速透平铣孔法是发达国家应用较多的

小孔法残余应力测试方法，并且是美国标准ASTME837—08推荐的小孔

法钻孔方式之一。

综上所述，小孔法由于具有对构件破坏性小、测量精度较高、设备轻便且

便宜等特点，在现场得到广泛应用，但在使用过程中应注意以下问题：

1)释放系数A和B。释放系数受工件材料类型、厚度、所用应变片尺寸

等因素的影响，因此对于不同的使用条件需对释放系数分别进行标定。在

弹性范围内，应变释放系数A、B均为常数。当孔边材料发生屈服时，

塑性应变的数值随应力水平变化，这时需对释放系数进行分级处理。通孔

法应变释放系数可由Kirsch理论解直接计算出，盲孔法应变释放系数则需

用实验标定，近年来有研究将有限元法引入释放系数的标定中，证明有限

元法能对释放系数进行有效标定，进而简化了释放系数标定的复杂度和难

度。

2)附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边塑性挤压，会产生附加应

变。为消除其对测量结果的影响，可结合光学方法进行测量，其优点在于

可进行全场测量，并可得到靠近孔周的残余变形信息。两者相结合能使小

孔法的测量精度显著提高。

3)钻孔偏心。在钻孔测量时，不可避免会产生钻孔偏心，标准[6]提出当

钻孔中心与应变花中心的不重合度误差在(0.004~0.02)D，且不可重复

时，可对测试应力值进行修正。

●1.1.2环芯法

环芯法由Milbradt于1951年提出，其原理与小孔法相似，是在待测工件

上贴应变花，并在应变花周围铣一直径为D的浅环槽，将其中的环芯部分

从工件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出来，最终将应变

花测得的应变结果带入相应的应力计算公式，即可得到工件待测点的主应

力及其方向，其计算公