殘余應力測試結果的定性分析與判斷

張 娟,巴發海,李 凱

(1.東方電氣(廣州)重型機器有限公司，廣州 511464；2.上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

1 影響定性分析與判斷的因素

很多失效分析工作者往往感覺X射線殘余應力的測試結果與直覺分析差距較大，難以接受，更不用說用來分析失效行為。這種預期差異，并非來源于原理本身，多數情況下是分析人員對測試的基本技術要求理解把控不到位或評價方法不合理導致的。

以下一些因素可能會影響測試結果準確性。

(1) 材料。殘余應力要求所測材料應具有足夠的結晶度，在特定波長的X射線下能得到連續的德拜環，且為晶粒細小、無織構的各向同性的多晶體材料。材料是否完全滿足近隨機位向分布、均勻、各向同性的要求，對測試結果有大的影響。如熱處理之前的鑄件、焊縫等并不完全滿足要求，其測試結果有較大的離散性。

(2) 準確度和精度。儀器、材料狀態、測量方法的選用和數據處理程序的選擇都對測試結果有影響。鑒于目前儀器的校準與檢定尚無國家標準，精度和準確度問題存在確認困難。

(3) 應力分布。從長期的測試結果來看，實際構件的應力分布多具有不均勻性，不同的測試位置可以完全不同，但差距不會超出1個數量級。應該指出，理論上X射線檢測的應力是宏觀應力，但這里的宏觀和構件的表觀大小沒有任何關系。一次測試應力的覆蓋范圍僅在0.2 mm2～100 mm2之間，稱之為局部宏觀應力可能更容易理解。此外，還應考慮射線的穿透深度造成的不均勻性，因為應力測試的X射線穿透深度一般僅為10～20 μm。

(4)測試過程的困難性。包括材料狀態、測試位置、表面處理狀態等和標準的技術規定存在的差異。

(5) 不存在明確，統一，合理的殘余應力技術規范。一般的產品標準或規范等技術文件中基本都沒有對殘余應力的合理范圍具體要求和規定。因此，測試人員難以對測試結果的有效性、合理性進行判斷。如表面壓應力可提高零件的疲勞壽命，但壓應力范圍和深度并沒有定量數據可以參考，更無法評價其與壽命之間的定量關系。作為一項定量化判斷依據，國際PRI(質量評審協會)組織的NADCAP評審文件顯示，對INCONEL 718合金疲勞試樣，其表面應力應控制在-200～-500 MPa之間。

(6) 殘余應力的表征和理解。如正確區分正應力、切應力和主應力及其關系；如何區分失效分析中與失效相關的殘余應力其本質應該是那個性質的應力；如何對平面應力、三維應力、主應力進行判斷、分析和計算，這些都是要考慮的問題。

2 誤差與不確定度表征

最終應力值的誤差主要取決于d(晶面間距)與sin2ψ曲線的擬合。各個峰位置的誤差會降低最終結果的準確性。應該注意的是，目前商業測量軟件產生的“不確定性”值僅反映sin2ψ曲線中的估計統計誤差(或擬合優度)。測量中的總不確定度除了受衍射峰位置的影響外，還受其他因素的影響。

殘余應力的測試結果的不確定度在樣品唯一的情況下，來源于設備、方法、參數、操作等，但眾多來源的影響很難量化表征，因此任何評估不確定度的方法都必須通過多個合格實驗室的試驗來驗證。假定在系統誤差都已消除或糾正條件下，推薦一種可以在單個實驗室中使用的方法來評估不確定度[1]，該方法分為兩步。

步驟一：按照重復性要求進行測試，將設備設置為在相同條件下進行多次連續測試，并且多次測量之所有測試條件相同，在這種情況下，唯一的變量是那些與測量系統的性能以及軟件有關的變量，該變量也稱為“儀器可重復性”。

步驟二：按前步驟在兩次測量之間取出樣品重新設置并進行測試，這種情況下，會引入由于測試設置的可變性而產生的影響，包括重置設備和重新放置樣品的精度，該變量也被稱為“儀器操作者可重復性”。

噴丸處理的彈簧鋼板樣品中殘余應力測量值的可重復性結果如表1所示，由此計算的樣品殘余應力不確定度如表2所示[1]。殘余應力測量結果可表示為：σ=(-539±44) MPa。可見，其不確定度達測試值的8%。

表1 噴丸處理的彈簧鋼板樣品中殘余應力測量值的可重復性結果(Pseudo-Voigt方法)

表2 樣品殘余應力不確定度分析結果

而合成標準不確定度呈正態分布，uc=(2.72+15.62+15.62)1/2=22.2 MPa。擴展不確定度呈正態分布，U=kuc=44.4 MPa，其中k=2(對應95%置信度)。

3 殘余應力測試在失效分析中的應用

在失效分析中，殘余應力測試通常用在最可能出現裂紋的位置以及應重點關注的一些部位，主要包括以下部位。

(1) 在給定的施加載荷下，應力最大的區域(厚度或橫截面最小的區域)。

(2) 應力集中的幾何形狀，如咬邊，頸，倒角，焊趾，圓弧等。

(3) 動態接觸的位置，如疲勞接觸。

(4) 裸露且容易腐蝕的地方。

(5) 垂直于裂紋的方向(如果在多個方向上都出現了裂紋)。

應該注意的是，工件發生失效后，在裂紋附近垂直于裂紋線的方向殘余應力會部分或完全消除，因此，在裂紋萌生之前評估零件應力分布具有實際工程意義。在可行的情況下，最好使用三軸應力測試來確定應力場的方向和大小。如果受樣品的幾何形狀，經濟或時間限制，重點方向僅限于一個或兩個方向，則優先考慮垂直于裂紋線方向的應力測量。由于制造過程和服役歷史對產生的殘余應力狀態會產生巨大影響，在進行分析時必須考慮其引入的殘余應力。

有限元方法對于預測載荷作用下組件中的應力分布具有重要參考價值。計算結果可以半定量地確定高應力區域和低應力區域以及應力梯度。殘余應力測試中具有最高優先級的位置是拉應力最大的區域，即最容易發生屈服或破裂的區域。在應力梯度改變的邊界處，可能存在剪切應力。因此，建議在這些位置進行三軸應力測試。對于復雜幾何形狀的零件，在有限元法在經濟上不可行情況下，可選用經驗觀察法。

應力云圖能夠快速精確地表征整個組件表面應力狀態，包括重點區域，例如陡峭的應力梯度區域(焊縫)及其相關的拉伸殘余應力最大值的區域。如果部件的幾何形狀允許在重點的區域(靠近故障區域)進行應力測試，則可以在有載和無載的條件下繪制應力云圖。隨后的測量應集中在應力云圖確定為最大拉應力或深度的區域。

使用XRD(X射線衍射儀)進行的全面殘余應力研究很少局限于表面，因此，通常需要進行亞表面測量。如果必須非破壞性地測量亞表面位置的殘余應力，建議使用中子衍射。

當采用線性彈性斷裂力學進行分析時，可以計算殘余應力對應力強度因子的貢獻，并用于預測裂紋是否發生擴展或停止擴展。應該注意的是，殘余應力對裂紋擴展速率的影響傾向于隨著斷裂韌性的增加而減小。

4 結語

X射線法殘余應力測試原理成熟，測試過程簡單，方法易于掌握。X射線法殘余應力測試是一種統計表征，要準確地理解測試相關術語及其概念與本質，能否獲得準確可信的測試結果依賴于測試者對多個影響因素的把控。同時，要從定性和定量兩個方面對測試結果進行分析和判斷，必要時還需要對測試結果進行誤差分析和不確定度評定，以為失效分析提供可靠的支持。