應力的存在與應力集中是導致材料和結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因。研究材料的應力分布及應力狀態(tài)下材 料的物理性質(zhì)，能夠預防工程應用中可能出現(xiàn)的損壞或失效。而對于有益的物性改變，加以合理的利用可 以增強材料的機械性能，因此分析材料的應力分布及 應力狀態(tài)下的物理性質(zhì)具有理論研究與實際應用價值， 應力測試方法是實現(xiàn)這一價值的必要手段。目前，常 用的應力測試方法有機械法、光測法、磁測法、衍射法、 超聲法及納米壓痕法。 

1.1 機械法

● 1.1.1 小孔法

　　小孔法于1934 年由德國學者J.Mather 提出[1]，并由Soete 發(fā)展完善，使其具有實用性[2]。經(jīng)過數(shù)十年 的發(fā)展，美國材料試驗協(xié)會（ASTM）于1981 年頒布 了鉆孔測量法殘余應力標準（ASTM E837—1981）， 并于2008 年更新為ASTM E837—08[3]，將其確定為 

一種標準化的測試方法。其基本原理是采用結(jié)構(gòu)件表面鉆孔的方式釋放其表面應力，并用預先粘貼好的三 向應變片測量鉆孔前后的應變松弛，通過應變片測量 材料應力釋放前后的應變量，運用相應的應力學公式 計算出對應的主應力值及主應力方向。 

　　根據(jù)鉆孔是否鉆通，小孔法可分為通孔法和盲孔法。根據(jù)鉆孔方式不同，小孔法又可分為鉆孔開孔法、 噴砂開孔法和高速透平銑孔法。其中鉆孔開孔法是小孔法測試殘余應力中最簡單的開孔方式，目前在我國 實際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應用，該方法測量方便， 操作簡單，且設備便宜，但鉆孔時孔壁受到鉆頭擠壓 會發(fā)生塑性變形產(chǎn)生附加應變，影響殘余應力測量精 度。噴砂開孔法的特點在于開孔不受材料限制，加工 應變很小，測量精度高，但操作過程復雜，且不適用 于較軟材料或有應力梯度構(gòu)件的測試。高速透平銑 孔法特點在于可在高硬度材料上銑孔，且加工應變很 小，這是由于銑孔轉(zhuǎn)速高、進刀量小以及可采用特殊 的倒錐型銑刀，同時高速銑平鉆孔裝置使用也非常方 便。因此，高速透平銑孔法是發(fā)達國家應用較多的小孔法殘余應力測試方法，并且是美國標準ASTM E837—08 推薦的小孔法鉆孔方式之一。

　　綜上所述，小孔法由于具有對構(gòu)件破壞性小、測量精度較高、設備輕便且便宜等特點，在現(xiàn)場得到廣 泛應用，但在使用過程中應注意以下問題： 

1) 釋放系數(shù)A 和B 。釋放系數(shù)受工件材料類型、厚度、所用應變片尺寸等因素的影響，因此對于不同 的使用條件需對釋放系數(shù)分別進行標定。在彈性范圍內(nèi)，應變釋放系數(shù)A 、B 均為常數(shù)。當孔邊材料發(fā)生 屈服時，塑性應變的數(shù)值隨應力水平變化，這時需對 釋放系數(shù)進行分級處理。 通孔法應變釋放系數(shù)可由Kirsch 理論解直接計算出，盲孔法應變釋放系數(shù)則需用實驗標定，近年來有 研究將有限元法引入釋放系數(shù)的標定中，證明有限元法能對釋放系數(shù)進行有效標定，進而簡化了釋放系數(shù)標定的復雜度和難度。 

2) 附加應變。鉆孔時由于刀具切削作用引起孔邊塑性擠壓，會產(chǎn)生附加應變。為消除其對測量結(jié)果的 

影響，可結(jié)合光學方法進行測量，其優(yōu)點在于可進行全場測量，并可得到靠近孔周的殘余變形信息。兩者 相結(jié)合能使小孔法的測量精度顯著提高。 

3) 鉆孔偏心。在鉆孔測量時，不可避免會產(chǎn)生鉆孔偏心，標準[6] 提出當鉆孔中心與應變花中心的不重

合度誤差在(0.004~0.02)D ，且不可重復時，可對測試應力值進行修正。 

● 1.1.2 環(huán)芯法

　　環(huán)芯法由Milbradt 于1951 年提出，其原理與小孔法相似，是在待測工件上貼應變花，并在應變花 

周圍銑一直徑為D 的淺環(huán)槽，將其中的環(huán)芯部分從工件本體分離開來，殘留在環(huán)芯中的應力同時被釋放出 來，最終將應變花測得的應變結(jié)果帶入相應的應力計 算公式，即可得到工件待測點的主應力及其方向，其 計算公式與小孔法相同。這種方法也屬于局部破壞 測量方法，其破壞性比盲孔法大，但它的應變釋放率 高于盲孔法，且可測量近表面一定深度范圍內(nèi)的殘余 應力分布，且測試精度比盲孔法高。目前已制定環(huán)芯 法測試汽輪機、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件殘余應力的相關 標準，并在這兩個領域得到廣泛應用。 

　　環(huán)芯法測殘余應力的誤差主要來源于應變計靈敏系數(shù)、零點漂移誤差和釋放系數(shù)A 與B 的誤差及銑刀 產(chǎn)生的加工附加應變。其中附加應變引進的誤差可預先標定，然后在測量時扣除，以達到減少誤差的目的。 對于釋放系數(shù)A 與B 的標定，不同材料及不同的銑槽 深度需分別進行標定，標定方法可采用拉伸實驗法和 有限元法，有限元法標定系數(shù)與拉伸實驗法的誤差在 ±2% 以內(nèi)，由于有限元法更為經(jīng)濟簡便，因此，推薦 該方法進行釋放系數(shù)標定。 

1.2 光測法

● 1.2.1 光彈性法

　　光彈性法是將具有雙折射效應的透明光彈性貼片粘貼在被測工件上并置于偏振光場中，當給工件加上載 荷時，貼片上產(chǎn)生干涉條紋圖。通過測量干涉條紋數(shù)目，可確定工件在受載情況下的應力狀態(tài)，工件應力梯度越 大，干涉條紋越密集。由于光彈性法可以顯示構(gòu)件表面 的應變場條紋圖像，可研究復雜幾何形狀和載荷條件構(gòu) 件的應力分布狀態(tài)，目前光彈性法廣泛應用于建筑、復 合材料等多個領域的實驗測量和應力場分析。 

　　光彈性方法屬于非接觸測量方法，具有機械法不 能達到的全場測量優(yōu)勢，既可測量表面應力，也可測量內(nèi)部應力；且該方法能夠清晰地反映應力集中部位， 并可確定應力集中系數(shù)，但其不足之處體現(xiàn)在工藝較 復雜，測量周期比較長，需要將被測對象置于偏振光 環(huán)境中且光學系統(tǒng)相對復雜。 

● 1.2.2 云紋干涉法

　　云紋干涉法是上世紀80 年代發(fā)展起來的一種現(xiàn)代光測力學方法，并且隨著D.Post[17] 等研究者對云紋干 涉法理論建設的完善以及試驗設備的進步，該實驗方法越來越成熟。其基本原理是將光柵粘貼在試件待測 面上，兩束相干準直光以一定入射角對稱入射到試件 柵上，在試件表面法線方向上得到干涉條紋；當試件 受力變形后，試件柵隨之變形，干涉條紋的級數(shù)和間 距將發(fā)生變化，根據(jù)彈性力學的幾何方程，可以計算 出應變場及應力。 

　　云紋干涉法的試件柵是柵線密度為600~1200線/mm 的高密度衍射光柵，其靈敏度比傳統(tǒng)云紋法高 出30~120 倍。云紋干涉法的圖形與光彈性實驗相似， 但對模型材料沒有光學性能要求且計算方法不同。 

云紋干涉法與電測法不同之處在于光柵（貼片）的面積大，計算點數(shù)多，能求出應變場。云紋干涉法具有高靈 敏度、條紋質(zhì)量好、條紋分辨率高、大量程、實時觀測 等優(yōu)點，其應用越來越廣泛，特別是在與小孔法、環(huán)芯 法等結(jié)合測試殘余應力方法取得了良好的效果。 

1.3 磁測法

● 1.3.1 金屬磁記憶法

　　金屬磁記憶檢測方法是20 世紀90 年代，以杜波夫為代表的俄羅斯學者率先提出的鐵磁金屬材料診斷 檢測技術(shù)。其原理是從鐵磁金屬表面拾取地磁場作用下的漏磁場信息，處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受載 荷的作用，應力和變形集中區(qū)會發(fā)生具有磁致伸縮性 質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向。這種不可逆 變化在工作載荷消除后會保留下來，并在應力與變形 集中區(qū)形成漏磁場感應強度H P 的變化，即H P 的切向 分量H P(x ) 具有最大值，而法向分量H P(y ) 改變符號 且具有零值點，通過檢測鐵磁構(gòu)件表面磁場分布情況，如磁場法向分量H p(y ) 及梯度K =dH P(y )/dx 等特征 量，可對應力集中或缺陷進行準確推斷。 

　　目前金屬磁記憶法的主要應用于確定設備和構(gòu)件的應力應變狀態(tài)的不均勻性和應力集中區(qū)；將其與常 規(guī)無損檢測方法結(jié)合可減少檢測成本、檢測構(gòu)件裂紋 （尤其是焊接裂紋）；各種類型焊接的質(zhì)量控制（包 括接觸焊與點焊）；通過構(gòu)件的不均勻性對新生產(chǎn)和 在役機械制造產(chǎn)品實施快速分類等。 

　　金屬磁記憶法是21 世紀最具潛力的無損檢測方法，在實際應用中有諸多優(yōu)點：既可以檢測宏觀缺陷， 又可以檢測微觀缺陷，并預報潛在危險；檢測時采用 非接觸方法，不需要對被檢測器件進行任何表面清理 或預處理；能實現(xiàn)在役設備的無損檢測，無需專門的 磁化設備；設備輕便、操作簡單、檢測效率高（能達 到100m/h 以上）。 

　　金屬磁記憶檢測經(jīng)過近20 年的發(fā)展，雖然取得了不少研究成果和檢測經(jīng)驗，但仍存在許多需要解決的 問題，首先是機理尚不成熟，未形成一套系統(tǒng)嚴密的 理論體系；其次是打磨、環(huán)境磁場等外因素對磁記憶 檢測的影響有待進一步研究分析；對殘余應力的定量 化問題所做的研究較少。