前言

殘余應(yīng)力是構(gòu)件力學(xué)性能主要的影響因素之一，如拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低拉伸屈服極限、提高壓縮屈服極限，壓縮殘余應(yīng)力正好相反；宏觀殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生形變、并影響疲勞壽命，微觀殘余應(yīng)力導(dǎo)致組織內(nèi)產(chǎn)生微裂紋發(fā)生脆性破壞。

在服役過(guò)程中，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加容易產(chǎn)生二次變形和應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生變形、開(kāi)裂、耐腐蝕性能及構(gòu)件整體穩(wěn)定性下降，如當(dāng)交變荷載工作時(shí)區(qū)域應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形；高溫工作條件下產(chǎn)生高溫蠕變開(kāi)裂；腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

測(cè)試二次熱處理后鑄件的殘余應(yīng)力，主要是為了確保鑄件的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能和使用壽命。二次熱處理（如時(shí)效、退火）的目的通常是消除或減少之前工序（如鑄造、焊接、粗加工）產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。如果處理不到位，殘余應(yīng)力依然存在，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)加工變形，甚至在使用中突然失效。

預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)和數(shù)值大小，成為保障鑄件材料質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下文就通過(guò)對(duì)比來(lái)深入探討X射線衍射法與鉆孔法這兩種方法，哪一種更適合測(cè)試鑄件二次熱處理后的殘余應(yīng)力。

鉆孔法

鉆孔法在1934年由德國(guó)學(xué)者Mathar J提出。對(duì)于厚板構(gòu)件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的任意位置鉆一盲孔，包圍在鉆孔周邊的金屬和殘余應(yīng)力即被釋放（孔深等于或略大于孔徑，當(dāng)孔深為孔徑的1.2倍時(shí)，應(yīng)變近于釋放），使原來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)失去平衡，這時(shí)盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，并使原應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到新的平衡，形成新的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，測(cè)出釋放應(yīng)變?chǔ)牛纯衫孟鄳?yīng)公式計(jì)算出初始測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力。

鉆孔法的適用范圍

建筑工程：在建筑鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等施工過(guò)程中，鉆孔法可用于檢測(cè)焊接接頭、螺栓連接部位等的殘余應(yīng)力。例如，對(duì)大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)的焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，評(píng)估焊接質(zhì)量，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)檢測(cè)殘余應(yīng)力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)大應(yīng)力，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整，避免結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中因應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。

機(jī)械制造：對(duì)于大型機(jī)械裝備的關(guān)鍵零部件，如重型機(jī)床的床身、齒輪箱等，鉆孔法可用于檢測(cè)其在加工、裝配過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。通過(guò)檢測(cè)殘余應(yīng)力，優(yōu)化加工工藝和裝配流程，提高機(jī)械裝備的精度和穩(wěn)定性。

壓力容器制造：壓力容器在制造過(guò)程中，焊接、冷加工等工藝會(huì)引入殘余應(yīng)力。鉆孔法可用于檢測(cè)壓力容器筒體、封頭、接管等部位的殘余應(yīng)力，確保壓力容器的安全運(yùn)行。通過(guò)檢測(cè)殘余應(yīng)力，評(píng)估壓力容器的制造質(zhì)量，預(yù)防因殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加導(dǎo)致的容器破裂等事故。

鉆孔法優(yōu)勢(shì)

?  設(shè)備簡(jiǎn)單：所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，易于在現(xiàn)場(chǎng)和一般實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展檢測(cè)工作。

?  適用范圍廣：適用于各種材料和形狀的構(gòu)件，對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求，無(wú)論是金屬、非金屬還是復(fù)合材料均可檢測(cè)。

?  測(cè)量深度較大：相比 X 射線衍射法，盲孔法可測(cè)量一定深度范圍內(nèi)的平均殘余應(yīng)力，更能反映材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。

鉆孔法局限

?  有損檢測(cè)：鉆孔會(huì)對(duì)材料造成一定程度的損傷，不適用于對(duì)表面完整性要求高的構(gòu)件，如一些精密光學(xué)元件、微電子器件等。

?  測(cè)量精度受多種因素影響：鉆孔過(guò)程中的工藝參數(shù)（如鉆孔速度、鉆頭磨損等）、應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量、材料的不均勻性等因素，都可能影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在操作過(guò)程中嚴(yán)格控制和校準(zhǔn)。

X射線法

X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力是基于X射線衍射理論。當(dāng)一束波長(zhǎng)為λ的X射線照射在晶體表面時(shí)，會(huì)在特定的角度(2θ)上接收到X射線反射光的波峰，這就是X 射線衍射現(xiàn)象。其中衍射角2θ與X射線的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d之間遵從布拉格定律：2dsinθ=nλ。1961年德國(guó)學(xué)者Macherauch結(jié)合彈性理論和布拉格方程提出了測(cè)二維殘余應(yīng)力的sin2ψ法。

X射線法適用范圍

航空航天領(lǐng)域：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛行器結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件，在制造和服役過(guò)程中承受著復(fù)雜的應(yīng)力。X射線衍射法可用于檢測(cè)這些部件表面及近表面的殘余應(yīng)力，確保其在特殊工況下的可靠性與安全性。例如，通過(guò)檢測(cè)葉片表面殘余應(yīng)力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中的缺陷，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致的葉片斷裂等嚴(yán)重事故。

汽車制造行業(yè)：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸等零部件的殘余應(yīng)力狀態(tài)影響著汽車的性能和耐久性。利用X射線衍射法對(duì)這些部件進(jìn)行檢測(cè)，有助于優(yōu)化制造工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。如在曲軸加工過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)殘余應(yīng)力，調(diào)整加工參數(shù)，減少殘余應(yīng)力對(duì)曲軸疲勞壽命的不利影響。

應(yīng)對(duì)鑄造工藝的復(fù)雜性：鑄造過(guò)程涉及液態(tài)金屬凝固、冷卻和相變，極易產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力。特別是在薄壁或帶有復(fù)雜凸臺(tái)的鑄件（如鎂合金筒形件）中，應(yīng)力分布異常復(fù)雜，是導(dǎo)致后續(xù)加工變形和開(kāi)裂的原因。XRD能精確測(cè)量這些應(yīng)力，為優(yōu)化鑄造工藝（如改進(jìn)澆注系統(tǒng)、調(diào)整冷卻速率）提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

X射線法優(yōu)勢(shì)

?  無(wú)損檢測(cè)：不會(huì)對(duì)樣品造成物理?yè)p傷，可對(duì)珍貴或已服役的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，不影響其后續(xù)使用。

?  高精度：能夠精確測(cè)量材料表面及近表面的殘余應(yīng)力，對(duì)微小應(yīng)力變化敏感，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

?  標(biāo)準(zhǔn)完善：擁有眾多國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為支撐，如 GB/T 7704 等，檢測(cè)流程和結(jié)果具有規(guī)范性和可比性。

X射線法優(yōu)勢(shì)

?  檢測(cè)深度有限：X射線穿透能力較弱，一般只能測(cè)量材料表面幾微米到幾十微米深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，對(duì)于材料內(nèi)部較深位置的應(yīng)力需電解拋光后檢測(cè)。

鑄件樣品的選擇

多數(shù)情況下。鑄件樣品價(jià)值較高并不允許損傷：對(duì)于此類樣品，如果使用鉆孔法，鉆孔后會(huì)引發(fā)鉆孔區(qū)域殘余應(yīng)力的改變，并且鑄件受損后將無(wú)法再次使用。而X射線衍射法測(cè)試無(wú)損并且可以提供精度更好的結(jié)果，使得操作者可以更好地判斷熱處理工藝是否有效，所以X射線法成為優(yōu)選。

儀器介紹

EDGE便攜式X射線應(yīng)力儀符合ASTM E915及EN 15305殘余應(yīng)力國(guó)際分析檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。GNR精心設(shè)計(jì)的便攜箱可收納全部配件，搭配三腳架實(shí)現(xiàn) 90°、180° 及顛倒式測(cè)量。高性能電池支持野外等環(huán)境作業(yè)，激光定位與微動(dòng)裝置結(jié)合，無(wú)需接觸即可快速定位。儀器兼具室內(nèi)外檢測(cè)能力，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)殘余應(yīng)力的精準(zhǔn)測(cè)量需求。

STRESS-X射線殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x，儀器的衍射單元安裝在 6 個(gè)自由度的機(jī)器人臂上。通過(guò)移動(dòng)機(jī)器臂可對(duì)各種形狀和尺寸的樣品進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可封裝在密閉的艙體中用于實(shí)驗(yàn)室分析，也可安裝在四輪合金推車上用于現(xiàn)場(chǎng)分析，進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量大型工件各個(gè)部位的殘余應(yīng)力。STRESS-X采用水冷卻 X 射線管，并由計(jì)算機(jī)控制，機(jī)械手臂位置的精確度可達(dá) 20 μm，并有良好的重復(fù)性。樣品可以固定在樣品臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，也可以檢測(cè)在儀器本身以外位置的樣品，推薦位置是距離機(jī)械手臂 500 mm，測(cè)量靶是一個(gè)組合單元，包含用于 X、Y 方向定位的攝像機(jī)和 Z 方向定位的激光束。激光精度小于10 μm，檢測(cè)范圍300±70 mm，由于機(jī)械手臂具有六個(gè)自由度，可任意調(diào)節(jié)，保證檢測(cè)幾乎不受位置的制約，具有很好的適應(yīng)性。