云紋干涉法測(cè)量殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

鄧新，邱長(zhǎng)軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000）

0 引言

大部分零件在加工制造過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力是指外力或溫度場(chǎng)等外作用場(chǎng)完全消失后留在物體內(nèi)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能有著顯著的影響[2]。殘余應(yīng)力測(cè)量可以分為非破壞性技術(shù)和破壞性技術(shù)。非破壞性方法在測(cè)量時(shí)不需要破壞工件，例如X射線衍射法、中子衍射法、拉曼光譜法和納米壓痕技術(shù)等方法。一些最普遍的破壞技術(shù)是鉆孔法、環(huán)芯法、剝層法、輪廓法和裂紋柔度法等。

云紋干涉法是一種重要的光學(xué)方法，是過(guò)去幾十年來(lái)用于應(yīng)力分析的光學(xué)方法中最重要的進(jìn)步之一，具有準(zhǔn)確性高、靈敏度高、分辨率高、成本低和標(biāo)本制備方便等優(yōu)勢(shì)。與有損方法相結(jié)合，可以準(zhǔn)確獲得試樣殘余應(yīng)力釋放后的變形場(chǎng)[3]，在復(fù)合材料、生物力學(xué)、斷裂力學(xué)等方面成功應(yīng)用，是一種非常具有應(yīng)用前景的光學(xué)測(cè)量方法。

1 云紋干涉法的基本原理

云紋干涉法原理如圖1所示，自單個(gè)相干激光源的光被分成兩束，以圖示的A和B照射樣品表面。

圖1 云紋干涉法原理圖

由精細(xì)線條組成的衍射光柵，直接復(fù)制或制作在樣品表面。光束的衍射產(chǎn)生了一個(gè)“虛擬光柵”，給出了由明暗線組成的干涉條紋。笛卡爾坐標(biāo)系中x和y方向的位移分量可表示為：

式中：f為樣品光柵的頻率；Nx為u場(chǎng)的等位移條紋級(jí)數(shù)；Ny為v場(chǎng)的等位移條紋級(jí)數(shù)。

位移產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變分量為：

2 云紋干涉法測(cè)量材料殘余應(yīng)力的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，云紋干涉法測(cè)量殘余應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。因其具有靈敏度高、條紋質(zhì)量好、可實(shí)時(shí)觀測(cè)、全場(chǎng)分析等優(yōu)點(diǎn)，在材料殘余應(yīng)力測(cè)量方面得到廣泛的應(yīng)用。Jiang Yi等[4]利用云紋干涉法測(cè)定等離子噴涂，測(cè)量了Ni-Cr-B-Si涂層沿試樣厚度方向的殘余應(yīng)力分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：涂層和基體中的殘余應(yīng)力分別為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力；涂層的殘余應(yīng)力隨著離涂層表面距離的增加而減小，在涂層-基體界面處幾乎為零；基底的最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在涂層-基底界面附近。Zhang Hongye等[5]采用CSMM( Curved Surface Micro-Moiré)方法對(duì)不銹鋼管焊縫附近的曲面殘余應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力在焊縫中同時(shí)存在；軸向應(yīng)力從424.2 MPa逐漸降低到0 MPa，而周向應(yīng)力減少為壓應(yīng)力，然后為0。A. Sciammarella等[6]利用相干光反射/投影云紋干涉術(shù)測(cè)量薄膜的偏轉(zhuǎn)和殘余應(yīng)力。開(kāi)發(fā)了一種新型光學(xué)裝置，用于測(cè)量涂層樣品中產(chǎn)生的撓度和殘余應(yīng)力。在硅襯底上沉積ZrN薄膜的情況下，成功地進(jìn)行了原位測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)一致，證實(shí)該試驗(yàn)方法的可行性。

云紋干涉法在生物力學(xué)的變形測(cè)量及復(fù)雜大型設(shè)備的形狀效應(yīng)的校正方面也有應(yīng)用。Li Fangchi等[7]綜述了數(shù)字云紋干涉術(shù)分析牙本質(zhì)組織生物力學(xué)，通過(guò)研究牙齒結(jié)構(gòu)中從10-5～10-3應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)變分布，發(fā)現(xiàn)云紋干涉計(jì)術(shù)是一種研究各向異性和復(fù)雜牙齒結(jié)構(gòu)變形特性的有效方法，具有高靈敏度和精確度。P. M. Alcover等[8]提出一種從周期性簡(jiǎn)單層的疊加獲得云紋干涉圖的方法，分析了規(guī)則層的超位置如何提供信息，從而能夠測(cè)量移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放變化，無(wú)論該層是平行的、規(guī)則的還是同心的。Pofelski等[9]介紹了一種基于掃描透射電子顯微鏡云紋干涉測(cè)量和幾何相位分析的應(yīng)變表征技術(shù)，在特定頻率下對(duì)晶體周期進(jìn)行采樣，應(yīng)用采樣理論的基礎(chǔ)來(lái)解釋電子顯微照片中2D云紋特征的形成。使用STEM云紋GPA（Geometrical Phase Analysis）技術(shù)可以確定大型設(shè)備上（最大幾微米）的2D相對(duì)變形圖。

2.1 云紋干涉法與鉆孔法

云紋干涉法與有損方法相結(jié)合時(shí)，利用破壞試樣釋放殘余應(yīng)力的變形場(chǎng)來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力。利用云紋干涉法與鉆孔法結(jié)合，云紋干涉法可以在非常接近鉆孔邊界的位置進(jìn)行有用的測(cè)量，比通過(guò)應(yīng)變儀進(jìn)行的測(cè)量要近得多，在研究材料殘余應(yīng)力領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

云紋干涉法與鉆孔法結(jié)合測(cè)量殘余應(yīng)力的方法首先由McDonach提出。與傳統(tǒng)的鉆孔方法相比，云紋干涉法結(jié)合鉆孔法是一種全局測(cè)量，具有較好的性能分辨率和允許測(cè)量更接近孔邊緣，同時(shí)采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。Qin Le等[10]研究了云紋干涉法結(jié)合鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)測(cè)試區(qū)域位置的影響。研究表明，在平面應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)變測(cè)量位置和孔中心之間的距離r與孔的半徑a之比（即r/a），在1.2

由于應(yīng)變儀應(yīng)變花的使用存在一些實(shí)際缺點(diǎn)，為了盡可能減少應(yīng)變測(cè)量的誤差，Chen Jubing等[15-16]使用云紋干涉法與鉆孔法相結(jié)合，在云紋干涉測(cè)量中采用沿0°、45°、90°方向分布的光柵應(yīng)變花，來(lái)確定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中消除的殘余應(yīng)變。在殘余應(yīng)力隨鉆孔深度的變化而表現(xiàn)出系統(tǒng)變化的地方，非牛頓力和鋁的行為在復(fù)合材料中表現(xiàn)得非常明顯，并且在相鄰層中表現(xiàn)出不一致的應(yīng)力。Zhang Keming等[17]研制了光柵應(yīng)變花云紋干涉法和增量鉆孔相結(jié)合的系統(tǒng)，測(cè)定鋁板在均勻單軸拉伸載荷作用下的殘余應(yīng)力大小。樣品中u(x，y)、v(x，y)和s(x，y)全場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)值與有限元數(shù)值解一致。進(jìn)一步證實(shí)了云紋干涉法與鉆孔法的可行性。

2.2 云紋干涉法與其它方法

目前基于云紋干涉法與其他方法相結(jié)合測(cè)量殘余應(yīng)力的報(bào)道相對(duì)較少，還有待進(jìn)一步研究。隨著光學(xué)、數(shù)字圖像處理、數(shù)值方法和計(jì)算能力方面的改進(jìn)，這些技術(shù)既促進(jìn)了測(cè)量精度和可靠性的提高，也促進(jìn)了實(shí)際應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。吳立夫等[3]實(shí)驗(yàn)研究了基于云紋干涉技術(shù)的環(huán)芯和切槽殘余應(yīng)力測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)于過(guò)盈配合試件，該方法與鉆孔云紋干涉法的測(cè)量結(jié)果相同；且云紋干涉環(huán)芯法的測(cè)量精度比切槽法更高、更易于操作，并能獲得面內(nèi)殘余應(yīng)力的所有分量，具有更為廣泛的適用性。

Zhu Jianguo等[18]采用云紋干涉法結(jié)合切割松弛法和納米壓痕技術(shù)在不銹鋼基體上沉積等離子噴涂熱障涂層，進(jìn)行了不同尺度的測(cè)量。切割松弛法的條紋圖可以在宏觀尺度上清楚地說(shuō)明由殘余應(yīng)力引起的變形，納米壓痕技術(shù)可以在微觀尺度上評(píng)估殘余應(yīng)力的分布。A. Baldi[19]研究了云紋干涉法結(jié)合增量環(huán)芯法測(cè)量殘余應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光學(xué)干涉法測(cè)量增量環(huán)芯法產(chǎn)生的位移變化，描述位移場(chǎng)的泛函與鉆孔分析中使用的泛函完全相同。

3 展望

云紋干涉法作為一種全場(chǎng)測(cè)量光學(xué)方法，受到了國(guó)內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。隨著不斷提高生產(chǎn)率、提高操作安全性、優(yōu)化制造工藝和盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的工業(yè)需求，以及激光、光纖、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，云紋干涉法將在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。云紋干涉法與有損殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的結(jié)合使用可以準(zhǔn)確地獲得試樣釋放殘余應(yīng)力后的變形場(chǎng)，將云紋干涉法結(jié)合其他方法協(xié)同測(cè)量殘余應(yīng)力這一研究領(lǐng)域未來(lái)還有很大的研究空間。