内应力测试仪主要原理

内应力测试仪：揭秘材料内在张力的关键技术

材料在制造、加工或服役过程中，由于温度变化、相变、塑性变形、焊接、铸造、化学处理等因素的影响，会在其内部产生应力，这些不随外力作用而消失的应力就被称为内应力。内应力不仅影响材料的力学性能，如强度、韧性、疲劳寿命，还可能导致工件变形、开裂，甚至引发灾难性失效。因此，准确测量材料的内应力对于保障产品质量、优化工艺、延长使用寿命至关重要。内应力测试仪作为一种重要的检测手段，其背后蕴含着多种科学原理，本文将为您深入剖析。

内应力测试仪的核心测量原理

内应力测试仪的测量原理多种多样，但其核心目标都是通过间接或直接的方式，量化材料内部各点或区域的应力状态。目前主流的测试仪主要基于以下几种原理：

• X射线衍射法（XRD）

  
  

  X射线衍射法是目前应用广泛、成熟的内应力测试技术之一，尤其适用于金属材料。其基本原理是：晶体材料内部的原子呈周期性排列，当X射线照射到晶体表面时，会发生衍射现象。在没有内应力的情况下，晶格面间距是固定的。当材料内部存在内应力时，会引起晶格的微小变形，导致晶格面间距发生变化。根据布拉格方程 $2d \sin \theta = n\lambda$，晶格面间距 $d$ 的改变会引起衍射峰角度 $\theta$ 的移动。通过精确测量衍射峰的角度偏移，就可以计算出材料的晶格应变，进而根据材料的弹性模量和泊松比等力学参数，推算出内应力。

  
  
  • 典型数据： 在对某钢件进行X射线内应力测试时，观测到的衍射峰角度从标准参考样的 $2\theta = 156.4^\circ$ 偏移至 $156.7^\circ$。假设该材料的弹性模量 $E = 200$ GPa，泊松比 $\nu = 0.3$，通过计算可得此区域的垂直于表面的正应力约为 $-150$ MPa（压应力）。
  
  

• 超声波法

  
  

  超声波在材料中传播的速度受到材料的弹性和应力状态的影响。当材料内部存在内应力时，其声传播路径上的材料会发生形变，进而改变超声波的传播速度。通过测量不同方向或不同传播路径上超声波的传播时间或波速差异，可以反推出材料内部的应力梯度或平均应力。该方法尤其适用于非金属材料和复合材料，且具有无损、穿透性强的优点。

  
  
  • 典型数据： 在对某高分子复合材料进行超声波内应力检测时，沿某一方向测得的超声波速度为 $v1 = 2500$ m/s，而沿另一方向则为 $v2 = 2480$ m/s。这些速度差异与材料的应力系数、材料本身的声速等参数关联，可用于推算不同方向的应力分量。
  
  

• 光学法（如散斑干涉法、全息法）

  
  

  光学方法利用光波的干涉或衍射特性来测量形变。当材料表面存在内应力，且该内应力释放（例如通过钻孔或去除一部分材料）时，会导致表面产生微小的位移和形变。通过记录应力释放前后的表面形貌变化，利用散斑干涉或全息干涉技术，可以高精度地测量出这些形变量。根据弹性力学原理，可以将这些形变量与材料的内应力关联起来。这种方法通常是破坏性或半破坏性的，但能提供高分辨率的应力分布信息。

  
  
  • 典型数据： 在某焊接件进行应力释放测试中，通过激光散斑干涉法测量到钻孔中心区域的表面径向位移为 $15 \mu$m。结合材料的尺寸和厚度等信息，通过数值模拟或解析计算，可以推算出该区域释放前的内应力大小。
  
  

• 电阻应变片法

  
  

  电阻应变片是一种将机械变形转化为电信号的传感器。通过将应变片粘贴在材料表面，当材料受力发生形变时，应变片的电阻值会随之改变。内应力测试仪利用应变片测量材料在特定状态下（如初始状态或应力释放后）的应变。通过不同的应变片组合和应力释放技术（如钻孔法），可以计算出材料内部不同方向的应力分量。

  
  
  • 典型数据： 在对某大型结构件进行钻孔应力释放法测试时，在钻孔周围粘贴三个不同角度的应变片，分别测量到应变为 $\epsilon1 = 500 \mu\epsilon$, $\epsilon2 = -200 \mu\epsilon$, $\epsilon_3 = 100 \mu\epsilon$。根据这些应变值和应变片的方向，可以计算出该测点的三个主应力。
  
  

总结

内应力测试仪种类繁多，选择何种测试方法取决于材料的类型、形状、尺寸、对无损性的要求以及所需的精度等因素。X射线衍射法、超声波法、光学法和电阻应变片法各有其优势和适用范围，它们共同构成了我们理解和控制材料内在应力的技术体系。随着科学技术的发展，新的测试原理和方法也在不断涌现，为工程师和研究人员提供更强大、更的工具来应对各种复杂的技术挑战。