常用的应力测试方法及其在船舶系统零部件中的应用

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所, 洛阳 471023)

船舶系统零部件长期处于高温、高压和高湿的海洋环境中，会受到海水的流动、气泡、温度、湿度、冲击力以及海水中众多腐蚀性介质和微生物的影响[1-5]。当金属材料在特定的腐蚀环境下，持续存在拉应力的作用时，将会导致严重的腐蚀开裂，即为应力腐蚀。通常认为具有腐蚀敏感性的材料、特定腐蚀环境和拉应力是发生应力腐蚀的3个基本条件。一般来说，影响应力腐蚀发生的因素有：应力的大小、金属材料的成分与组织、特定环境下腐蚀介质的种类及浓度、温度等。当金属零部件的工况中没有拉应力存在时腐蚀裂纹发展很慢，并且在材料寿命期内不会发生开裂；但是有一定的拉应力存在，并且达到一定的水平后，金属零部件就会发生严重的应力腐蚀开裂，并且这种开裂是预先毫无征兆的、是脆性的，因此更容易导致灾难性事故的发生。在海水环境下316奥氏体不锈钢、高强钢以及铝合金等金属零部件都会存在一定的应力腐蚀现象[6]。因此，对船舶关键部位的零部件进行应力大小测量和应力性质判定可以在一定程度上预防应力腐蚀开裂的发生，为船舶系统零部件的安全可靠运行提供一定的数据支持。

船舶系统的应力腐蚀失效多发生在设备交付使用后，因此要求船舶系统零部件的应力测试是尽量无损的。其次，因为船舶系统中发生应力腐蚀失效的位置多位于船舶底舱附近，是海水易接触的部位，所以船舶系统零部件的应力测试设备应具有轻便性。同时，应力腐蚀失效部位往往也存在较多的腐蚀产物，由腐蚀产物构成的不导电层对应力的测试也有一定程度的影响。

1 常见的应力测试方法

应力的存在与应力集中是导致船舶零部件发生应力腐蚀的必要因素。研究船舶系统关键零部件的应力分布及应力性质可以在一定程度上对应力腐蚀的发生起到预防作用。对于有益的应力分布，可以进行利用以提高零部件的力学性能；对于无益的应力分布，可以采取适当的措施来加以修正。因此，在船舶系统零部件中，对应力的分布情况及应力的性质进行系统的分析与研究，具有较大的工程应用价值，而应力测试则是实现该研究的必要手段。常用的应力测试表征方法有机械法、磁性法、超声波法、压痕法、X射线衍射法及数字图像相关法。

1.1 机械法

机械法是通过机械打孔的手段对零部件进行应力测试，机械法中测试应力的常用方法是钻孔法。钻孔法由德国人MATHER在1934年最先提出，并在1950年由SCETE发展完善，使其在工程应用中具有了较大的价值[7-8]。经过几十年的发展，美国材料试验协会(ASTM)制定并颁布了钻孔测量残余应力的标准ASTM E837—2008StandardTestMethodforDeterminingResidualStressesbyHole-drillingStrain-gaugeMethod。ASTM E837—2008内容合理、细致，具有可操作性，其将应力分为均布应力和非均布应力进行测试，将工件分为薄工件和厚工件进行测试。国内修订版的CB/T 3395—2013《残余应力测试方法 钻孔应变释放法》和GB/T 31310—2014《金属材料 残余应力测定 钻孔应变法》均采用了ASTM E837—2008的部分内容，并且结合了国内设备和操作的具体情况，使得操作便捷、测量精确。

钻孔法的基本原理是通过对零部件表面进行钻孔从而使其应力得到释放，依据预先贴好的应变片来测量钻孔前后的应变情况，运用相应的力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向，从而确定出该位置的应力大小和应力性质。钻孔法具有测试精度较高、设备简单、易于现场操作、应力测试深度较深(1.5～2.0 mm)、对零部件损伤程度小等特点，国内各船厂的焊接残余应力大多采用钻孔法进行测试。但对于工程应用中的零部件，应尽量不采用钻孔法进行应力测试，因为钻孔会对零部件的表面造成损坏，在一定程度上会改变材料表面的应力分布，导致材料力学性能发生改变。因此，该方法不适用于船舶系统零部件的应力测试[9-10]。

1.2 磁性法

磁性法的基本原理是利用铁磁性材料的磁致伸缩效应(即铁磁性材料在应力的作用下其磁化状态会发生变化)来测量应力[11]，当材料在受力不大时，磁导率的相对变化量与应力成正比。磁性法通过测试金属零部件内部的磁场变化情况来反映应力变化情况，常见的磁性法有金属磁记忆法[12-13]、巴克豪森噪声法[14]、磁应变法[15-16]、磁声发射法[17-18]等。

磁性法与其他应力测试表征方法相比，具有无辐射、无损害、测试速度快、深度大(可达数毫米)、携带方便等特点，可以在现场对工件进行残余应力测试。但是磁性法的局限性在于其只能应用于铁磁材料，并且对材料的内部结构较敏感。因此，测试结果的准确性易受到影响，且每次测试都需事先标定。有资料指出应力与磁导率的关系在应力小于300 MPa时才近似于线形，这些都在一定程度上限制了磁性法在工业上的应用。船舶系统里大部分材料都要求是无磁性的，因此磁性法在船舶与海工领域的应用较少。

1.3 超声波法

超声波法[19-20]可以无损地测量工件表面及内部的残余应力，是无损测量方法中很有发展潜力的一种方法，该方法是基于OKADA于1940年提出应力引起的声双折射现象和1953年美国田纳西大学HUGHE和KELLY提出的声弹性理论而发展起来的[21,11]。超声波法的基本原理是零部件中的超声波随着外界应力的分布变化而变化，据此建立起传播速度与应力大小之间的关系曲线，从而计算出应力的大小与性质。超声波法中最常用的是声速法和频谱法，声速法是根据超声波的弹性公式建立起的波速与应力之间的关系曲线，由超声波速度的变化推算出应力的大小与性质；频谱法是根据传播速度不同的两束波发生干涉效应，从而推算出应力的大小与性质[22-23]。

超声波法测试应力目前多采用GB/T 32073—2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》，超声波具有较好的方向性和较强的穿透性，超声波法能够无损地测试零件的表面应力和内部应力，并且测试的是应力传播方向的平均值，同时超声波法的设备轻便，可以实现现场检测。但是该方法易受材料状况(组织、织构等)、零部件性质、工作环境等的影响，测试精度较低。因此，在工作环境复杂的船舶与海工领域，超声波法测应力的应用相对较少。

1.4 压痕法

压痕法可分为适用于毫微米尺度和适用于纳米尺度的压痕法，其中纳米压痕法是由OLIVER 等[24]提出并发展起来的。该方法是基于接触力学理论，根据加载前后的弹性模量的改变情况来推演应力的大小与性质[25-28]。

采用压痕法来测试应力时可以利用冲击力来形成压痕，该方法与钻孔法的测试原理相似，即在金属零部件的表面贴上应变片，应变片中栅的方向与金属零部件主应力的方向尽量保持一致，在应变片的交点中心位置冲击出一个纳米级别的压痕，根据测量纳米压痕冲击前后的应变情况和预先计算的常数，按照胡克定律即可计算出特定方向上的应力大小与性质。国内已经制订了压痕应变法标准GB/T 24179—2009《金属材料 残余应力测定 压痕应变法》，表明该方法已可以在工程应用中进行规范化的操作。

压痕法测试零部件应力时基本上不损伤被测零部件，设备具有体积小、质量轻、功能强、测试方便等特点，主要用于试验室应力分析和现场焊接工件的残余应力测试。但是该测试方法的误差稍大，大于20～30 MPa。同时，该测试方法主要适用于硬度小于50 HRC的材料。由于纳米压痕法测试零部件应力时主要是在零部件表面0.3～0.6 mm处，因此零部件表面车削和磨削加工引起的残余应力对测试结果的影响较大。纳米压痕法可以对船舶系统的低应力承载零部件进行应力测试与评价，但是对于高应力承载零部件，该方法的测试效果会相对较差。

1.5 X射线衍射法

X射线衍射法最早由前苏联学者AKCEHOB在1929年研究提出，而后在1961年德国学者MACHERAUCH提出了X射线衍射法，至此X射线衍射法才引起各国学者的广泛关注与深入研究。在标准化测试表征方面，欧盟标准委员会(CEN)于2008年批准了新的X射线衍射残余应力测定标准EN 15305:2008Non-destructiveTestingTestMethodforResidualStressAnalysisbyX-rayDiffraction。同年，中国也颁布了GB/T 7704—2008《无损检测 X射线应力测定方法》，并且经过不断地更新，目前已经颁布了GB/T 7704—2017《无损检测X射线应力测定方法》。而ASTM也在2010年发布了X射线衍射残余应力测定标准ASTM E915—2010StandardTestMethodforVerifyingtheAlignmentofX-rayDiffractionInstrumentationforResidualStressMeasurement。

X射线衍射法的基本原理是X射线入射到物质表面时会产生衍射现象，根据材料晶面间距的变化情况来反映零部件的应变情况，再通过弹性力学定律由应变计算出应力值。X射线衍射法是一种无损测定金属零部件表面应力的方法。X射线应力测定的基本原理可以表述为：当一束波长为λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度上接收到衍射峰，其中衍射晶面间距d和衍射角2θ之间应该满足布拉格定律。当应力变化时就会引起晶体内部晶面间距d发生变化，继而衍射角2θ也随之发生变化。所以根据衍射角2θ的变化即可利用弹性力学相关方程求出材料某一方向的应力大小和性质[29-30]。

应力的测试方法中以X射线衍射法的应用最为普遍，因为其理论推导严格成熟，测量结果准确可靠，并且在测量表面残余应力时该方法完全是无损的。X射线衍射法可以测量应力沿层深的分布，测试光斑一般为φ(1～5) mm，所测深度根据靶材和被测试材料的变化而有所不同。X射线衍射法的不足之处在于其只能测试晶粒均匀分布的材料，当被测试材料不能满足X射线衍射方法中要求材料均匀连续、各向同性的假设时(如织构材料、粗晶材料等)，测试结果就会有较大的误差。同时，如果存在材料表面沿深度方向存在较强的应力梯度、衍射峰重叠、衍射强度很低、衍射峰过分宽化等现象时，也会降低X射线衍射法测试结果的准确性。因此，X射线衍射法对于无织构、近似均匀连续的金属零部件的应力测试结果准确，而对其他零部件的应力测试效果相对较差。

1.6 数字图像相关法

数字图像相关(DIC)法是一种利用计算机软件处理采集到图像，从而得到物体表面或者内部位移场与应变场的变化情况，DIC法是一种非接触的、无损的应变测量方法，在复杂载荷、高湿、高温等复杂环境下的应变测试方面具有很大的优势。DIC法最早可以追溯到1982年由YAMAGUCHI[31]和PETERS[32]提出的测量变形物体表面位移和应变信息的非接触式光学测量方法。

DIC法的基本原理是通过对试样不同状态下的图像进行对比和处理，关联相机的各像素点状态变化前后的灰度值改变。利用数学图像处理技术得到各个预设子区的变化信息。DIC法的技术基础是基于计算机对图像的处理和数值的计算，根据光通量守恒原理，选择相关性最高的对应位置作为变形后的子区，从而得到高精度的应变信息。因此，在数字图像相关技术中保证各个子区之间的高精度辨识是十分必要的。一般是通过对测试物体表面随机分布的散斑进行系统研究来提高辨识的准确率。对于本身就具有清晰纹理的零部件就无需进行表面处理，而对于表面没有纹理的材料则需要人工制作散斑场后再进行测试[33-37]。

三维的数字图像相关技术最早是在1993年由LUO等人[38]提出的，其基本的构思是利用三维成像的原理将被测试样表面变形前后的散斑点进行标定和记录，进而得到零部件表面的三维形貌特征和应变信息。该方法的测试系统采用主体拍摄技术，使物体表面被测区域被聚焦在两个CCD相机(采用电荷耦合器件为感光元件的相机)成像面的像素上，根据每个相机的成像参数(内部参数)和相机间的相互位置(外部参数)，则可计算出物体表面每个点的三维坐标变化，进而计算出物体表面每一点上的应变张量，如图1所示。

图1 三维数字图像相关技术示意图Fig.1 Diagram of 3D digital image correlation technology

DIC法作为一种光学测量方法，与其他传统的应力测试方法相比，具有较多的优点。首先，DIC法进行测试时与被测件无接触，因而可以在众多的复杂环境下应用；其次，该方法是完全的无损测试，不会对零部件造成任何的损伤和破坏。DIC法因为其独特的优点被广泛应用于多领域多种材料的应力性能测试中，但在应用过程中会出现测量精确性不确定、高温试验测量误差大、大曲率物体可测面积有限等问题。在船舶系统与海工领域，DIC法可以实现众多工况下的应力测试与评价，是最有应用前景的应力测试方法。

2 结束语

在船舶与海工领域，应力大小的测试和应力性质的评价是船舶系统零部件安全可靠运行所必须的。常用的应力测试表征方法有机械法、磁性法、超声波法、压痕法、X射线衍射法及DIC法，各种测试评价方法在有效性、准确性和操作简便性等方面都有自己的优缺点。机械法、压痕法、X射线衍射法以及DIC法在船舶系统的实际工程应用中可以满足不同情况下的测试需求，可以为船舶系统零部件的安全可靠运行提供一定的技术支持。特别是DIC法具有非接触、无损、应用范围广、设备便携等特点，已成为船舶系统零部件应力测试与评价的最优选择。但是对DIC法在高温、高湿腐蚀环境下的测量误差大、大曲率零部件测试面积有限等问题，还需要进行深入研究与试验验证。