鋁合金殘余應(yīng)力渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

汪濤 曾志偉

（廈門大學(xué)航空系，福建廈門 361005）

鋁合金殘余應(yīng)力渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

汪濤 曾志偉

（廈門大學(xué)航空系，福建廈門 361005）

鋁合金殘余應(yīng)力的檢測關(guān)系到鋁合金結(jié)構(gòu)的健康安全，具有重要意義。傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力檢測法如盲孔法、X射線法、超聲波法、磁測法等在使用時(shí)都有一定的局限性。近年來，有學(xué)者根據(jù)金屬電導(dǎo)率與應(yīng)力之間的變化關(guān)系提出用渦流檢測的方法來檢測殘余應(yīng)力。本文介紹鋁合金殘余應(yīng)力渦流檢測的研究現(xiàn)狀，并就這一研究的發(fā)展方向提出一些看法。

鋁合金 殘余應(yīng)力 渦流檢測

鋁合金作為制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)材料，在航空航天、高速鐵路、建筑工程、船舶制造、汽車工業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)中有著重要地位。殘余應(yīng)力往往是造成鋁合金結(jié)構(gòu)破壞的重要因素。在應(yīng)力集中區(qū)域更加容易出現(xiàn)裂紋以及應(yīng)力腐蝕等早期損傷。因此，有效的評(píng)價(jià)應(yīng)力狀況，特別是導(dǎo)致?lián)p傷出現(xiàn)的臨界應(yīng)力狀況是評(píng)價(jià)設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性的重要依據(jù)［1］。傳統(tǒng)的無損檢測方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，但傳統(tǒng)方法局限于對(duì)已成型的缺陷進(jìn)行檢測。對(duì)于在役金屬設(shè)備的早期損傷，特別是尚未成型的隱形應(yīng)力狀態(tài)難以進(jìn)行有效的檢測。

目前應(yīng)用較多的殘余應(yīng)力檢測法主要有盲孔法、X射線法、超聲波法以及磁測法。盲孔法實(shí)際上是一種破壞性檢測法，很多情況下不為人們所接受。X射線法受材料晶粒度的影響較大，僅能測量表面宏觀或微觀殘余應(yīng)力，檢測設(shè)備昂貴，僅適合于實(shí)驗(yàn)室使用。超聲波法比X射線法的檢測深度深，但必須使用耦合劑，難以檢測形狀復(fù)雜的構(gòu)件。磁測法是以巴克豪森效應(yīng)為基礎(chǔ)的殘余應(yīng)力檢測法，可用于快速檢測材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，但僅局限于磁性材料。

材料的壓阻效應(yīng)使得用渦流檢測的方法檢測殘余應(yīng)力成為可能?；谶@種應(yīng)力與材料電導(dǎo)率之間的相關(guān)性提出的殘余應(yīng)力渦流檢測方法已成為無損檢測領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 電導(dǎo)率與應(yīng)力之間的相關(guān)性

電導(dǎo)率與應(yīng)力之間相關(guān)性的研究源于材料的壓阻應(yīng)變效應(yīng)。壓阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻絲在外力的作用下發(fā)生變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。單向應(yīng)力作用下，各向同性金屬材料的電導(dǎo)率與加載彈性應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為：

式中 σ0表示無應(yīng)力狀態(tài)下各向同性金屬材料的電導(dǎo)率； Δσx，Δσy，Δσz表示笛卡爾坐標(biāo)系下 x、 y、 z方向的電導(dǎo)率改變量；τij表示電阻絲材料的壓阻系數(shù)，包括縱向壓阻因子τ11和橫向壓阻因子τ12； ωj（j =x，y，z）為拉應(yīng)力，對(duì)于作用于z方向的單向拉伸， ωz≠0，ωx=ωy=0。由此即可得到電導(dǎo)率變化與彈性應(yīng)力變化之間的關(guān)系［2］。

鋁合金在應(yīng)力作用下呈電各向異性。單向拉伸的情況相對(duì)比較簡單，可以認(rèn)為電導(dǎo)率的改變主要集中在拉伸方向以及與拉伸方向垂直的方向上。然而，實(shí)際檢測中，應(yīng)力的分布狀況比較復(fù)雜，主應(yīng)力方向不再明確，需要根據(jù)待測試件應(yīng)力狀況重新推導(dǎo)電導(dǎo)率張量矩陣，以確定主應(yīng)力大小及方向。

2 研究現(xiàn)狀

由于壓阻應(yīng)變效應(yīng)，鋁合金在應(yīng)力的作用下呈電各向異性。因此，理論上可以由渦流檢測的方法進(jìn)行應(yīng)力大小及方向的檢測。而相比其他檢測技術(shù)，渦流檢測具有成本低、設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此殘余應(yīng)力渦流檢測的研究具有重要意義。

P.B.Nagy領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)從2004年開始發(fā)表使用渦流檢測方法評(píng)估殘余應(yīng)力的論文。2004年他們采用電磁渦流的方法對(duì)噴丸處理的鎳合金近表面殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測。他們發(fā)現(xiàn)，渦流“視電導(dǎo)率”隨著檢測頻率增加而增加，因此能夠用來檢測亞表面殘余應(yīng)力［4］。同年，他們采用解析法對(duì)噴丸金屬表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以電導(dǎo)率譜為框架計(jì)算應(yīng)力分布。結(jié)果表明，解析反演法可以定量的評(píng)估亞表面的殘余應(yīng)力［5］。2005年他們使用拉伸應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了材料的壓阻效應(yīng)，并通過動(dòng)態(tài)和靜態(tài)加載應(yīng)力的方式對(duì)熱彈性效應(yīng)引起的電導(dǎo)率變化進(jìn)行修正，得出鋁合金及其他合金的電導(dǎo)率與應(yīng)力變化的系數(shù)關(guān)系［6］。2006年，他們采用一種迭代反演的方法來計(jì)算近表面殘余應(yīng)力分布，該方法具有很好的收斂性。他們還探討了近表面殘余應(yīng)力分布引起亞表面電導(dǎo)率變化的三個(gè)特征：一是殘余壓應(yīng)力分布在深度比普通探頭線圈直徑小得多的淺表面區(qū)域；二是殘余應(yīng)力引起的電導(dǎo)率變化量非常小，不到1%；三是以電導(dǎo)率譜為框架反演得到的應(yīng)力分布更加連續(xù)和平滑。該方法的精度比文獻(xiàn)［5］的精度更高［7］。2007年，他們報(bào)道了一個(gè)新的高頻渦流電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，可以將檢測頻率提高到50MHz，這遠(yuǎn)超商業(yè)上一般使用的10MHz的范圍。該系統(tǒng)的重復(fù)性、精確性、測量速度都比以前的更高［8］。2010年他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)一些熱門的鎳基高溫合金進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測時(shí)出現(xiàn)問題，有些硬度較高的合金沒法通過電磁渦流法進(jìn)行應(yīng)力檢測，于是開展硬度和電導(dǎo)率關(guān)系的研究。結(jié)果表明，對(duì)于某些噴涂表面較硬的鎳基高溫合金，使用電磁渦流方法進(jìn)行應(yīng)力檢測不太合適［9］。

2001年W.J.Becker等人通過對(duì)普通接收線圈及GMR傳感器測量殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果：GMR傳感器非常適合電磁渦流法測量殘余應(yīng)力［10］。2012年H.soyama等提出用矩形線圈檢測應(yīng)力各向異性和剪切應(yīng)力。結(jié)果表明，應(yīng)力各向異性、剪切應(yīng)力以及噴丸處理的情況都可以通過矩形線圈進(jìn)行檢測，主應(yīng)力的方向也可以通過這種檢測方法確定［11］。

2010年英國Newcastle大學(xué)田貴云等采用脈沖渦流檢測方法，利用圓柱和矩形探頭對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用鋁合金進(jìn)行了應(yīng)力檢測研究。由于鋁合金中存在一定的殘余應(yīng)力，脈沖渦流信號(hào)的峰值與拉伸應(yīng)力存在一定的非線性關(guān)系［12］。同年，他們采用方向性探頭對(duì)單向拉伸作用下不同拉伸方向及垂直方向上的鋁合金電導(dǎo)率變化進(jìn)行研究。同時(shí)，還對(duì)前期塑性變形及熱處理對(duì)電導(dǎo)率的影響進(jìn)行了評(píng)估，得出結(jié)論：相對(duì)于非硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金中電導(dǎo)率對(duì)冷作加工的依賴性更加明顯［13］。他們還研究了使用脈沖渦流與熱成像相結(jié)合的方法檢測應(yīng)力。以脈沖信號(hào)為激勵(lì)，在工件中感應(yīng)出瞬變渦流，對(duì)工件加熱。應(yīng)力的存在使材料的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，從而影響材料的導(dǎo)熱性能。因此，可以用熱成像的方式來估計(jì)工件中的應(yīng)力大?。?4］。

3 展望

國內(nèi)外關(guān)于渦流法檢測殘余應(yīng)力的研究都取得了可喜的進(jìn)步。未來可在如下方面開展進(jìn)一步的研究。

（1）目前，渦流法檢測鋁合金殘余應(yīng)力的研究還比較少，但是鋁合金殘余應(yīng)力的檢測是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的一部分。優(yōu)秀的方法或許能夠帶來更高的效益，渦流檢測具有這樣的潛質(zhì)。因此，需要更多的人參與渦流法檢測殘余應(yīng)力的研究，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)優(yōu)勢，仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高研究水平。

（2）已有的研究大多都只考慮了單方向的應(yīng)力變化對(duì)電導(dǎo)率的影響。然而，應(yīng)力引起材料變形，在不同方向產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而引起材料不同方向上的電導(dǎo)率發(fā)生變化。因此，以渦流響應(yīng)識(shí)別應(yīng)力狀態(tài)時(shí)應(yīng)該考慮此耦合關(guān)系。

（3）渦流檢測殘余應(yīng)力不應(yīng)只考慮單向拉伸，應(yīng)力均勻分布的情況。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中殘余應(yīng)力的分布是不均勻的。對(duì)不均勻應(yīng)力狀態(tài)的主應(yīng)力大小及方向進(jìn)行識(shí)別才能夠真正達(dá)到檢測殘余應(yīng)力避免損傷的目的。

（4）在充分研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)成型的鋁合金殘余應(yīng)力渦流檢測設(shè)備，讓這一技術(shù)造福工業(yè)發(fā)展。

［1］M. N. James， D.J. Hughes， Z. Chen， H. Lombard et al. “Residual stresses and fatigue performance，” Eng. Fail. Anal.，vol.14， no. 2，pp.384-395，2007.

［2］周德強(qiáng)，田貴云，王海濤，王平.脈沖渦流技術(shù)在應(yīng)力檢測中的應(yīng)用.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（7）：1588-1593.

［3］劉舜堯，莫江濤，王靜文.應(yīng)力張量在坐標(biāo)變換下相似性的實(shí)驗(yàn)證明.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，15（1）：20-24.

［4］M.P.Blodget， P. B. Nagy. “Eddy current assessment of nearsurface residual stress in shot-penned nickel-based super alloys，”J. Nondestruct. Eval.， vol. 23， no. 3， pp. 107-123， 2004.

［5］F. Yu， P. B. Nagy. “Simple analytical approximations for eddy current profiling the near-surface residual stress in shot-penned metals，” J. Appl. Phys.， vol. 96， no. 2， pp. 1257-1266， 2004.

［6］F. Yu， P. B. Nagy. “Dynamic piezoresistivity calibration for eddy current nondestructive residual stress measurement，” J. Nondestruct. Eval.， vol. 24， no.2， pp. 143-151， 2005.

［7］B. A. Abu-Nabah， P. B. Nagy.“Iterative inversion method for eddy current profiling of near-surface residual stress in surface-treated metals，” NDT&E Int.， vol. 39， pp. 641-651，2006.

［8］B. A. Abu-Nabah， P. B. Nagy. “High-frequency eddy current conductivity spectroscopy for residual stress profiling in surface-treated nickel-base superalloys，” NDT&E Int.， vol. 40， pp. 405-418， 2006.

［9］B. A. Abu-Nabah， W. T. Hassan， D. Ryan， M. P. Blodgett et al. “The effect of hardness on eddy current residual stress profiling in shot-peened nickel alloys，” J. Nondestruct. Eval.，vol. 29， pp. 143-153， 2010.

［10］W. Ricken， J. Liu， W. J. Becker.“GMR and eddy current sensor in use of stress measurement，” Sensor. Actua. A-Phys.，vol. 91， pp. 42-45， 2001.

［11］Y. Sekine， H. Soyama.“Evaluation of stress anisotropy and shearing stress using an eddy current method with a tangential-rectangular coil，” J. Solid Mech. Mat. Eng.， vol. 6， no. 2， pp. 201-212， 2012.

［12］M. Morozov， G. Tian， P. J. Withers. “The pulsed eddy current response to applied loading of various aluminum alloys，”NDT&E Int.， vol. 43， no. 6， pp. 493-500， 2010.

［13］M.Morozov， G. Tian，P. J. Withers.“Noncontact evaluation of the dependency of electrical conductivity on stress for various Al alloys as a function of plastic deformation and annealing，”J. Appl. Phys.，vol. 108， no. 024909， pp. 1-9， 2010.

［14］L. Bai， G. Tian. “Stress measurement using pulsed eddy current thermography，” Proc. 51th Annu. Conf. BINDT， 2012.

此項(xiàng)研究為廈門市科技計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：3502Z20143007）資助項(xiàng)目。