(中國船舶重工集團公司第七二五研究所, 洛陽 471023)

船舶系統(tǒng)零部件長期處于高溫、高壓和高濕的海洋環(huán)境中，會受到海水的流動、氣泡、溫度、濕度、沖擊力以及海水中眾多腐蝕性介質和微生物的影響[1-5]。當金屬材料在特定的腐蝕環(huán)境下，持續(xù)存在拉應力的作用時，將會導致嚴重的腐蝕開裂，即為應力腐蝕。通常認為具有腐蝕敏感性的材料、特定腐蝕環(huán)境和拉應力是發(fā)生應力腐蝕的3個基本條件。一般來說，影響應力腐蝕發(fā)生的因素有：應力的大小、金屬材料的成分與組織、特定環(huán)境下腐蝕介質的種類及濃度、溫度等。當金屬零部件的工況中沒有拉應力存在時腐蝕裂紋發(fā)展很慢，并且在材料壽命期內不會發(fā)生開裂；但是有一定的拉應力存在，并且達到一定的水平后，金屬零部件就會發(fā)生嚴重的應力腐蝕開裂，并且這種開裂是預先毫無征兆的、是脆性的，因此更容易導致災難性事故的發(fā)生。在海水環(huán)境下316奧氏體不銹鋼、高強鋼以及鋁合金等金屬零部件都會存在一定的應力腐蝕現象[6]。因此，對船舶關鍵部位的零部件進行應力大小測量和應力性質判定可以在一定程度上預防應力腐蝕開裂的發(fā)生，為船舶系統(tǒng)零部件的安全可靠運行提供一定的數據支持。

船舶系統(tǒng)的應力腐蝕失效多發(fā)生在設備交付使用后，因此要求船舶系統(tǒng)零部件的應力測試是盡量無損的。其次，因為船舶系統(tǒng)中發(fā)生應力腐蝕失效的位置多位于船舶底艙附近，是海水易接觸的部位，所以船舶系統(tǒng)零部件的應力測試設備應具有輕便性。同時，應力腐蝕失效部位往往也存在較多的腐蝕產物，由腐蝕產物構成的不導電層對應力的測試也有一定程度的影響。

1 常見的應力測試方法

應力的存在與應力集中是導致船舶零部件發(fā)生應力腐蝕的必要因素。研究船舶系統(tǒng)關鍵零部件的應力分布及應力性質可以在一定程度上對應力腐蝕的發(fā)生起到預防作用。對于有益的應力分布，可以進行利用以提高零部件的力學性能；對于無益的應力分布，可以采取適當的措施來加以修正。因此，在船舶系統(tǒng)零部件中，對應力的分布情況及應力的性質進行系統(tǒng)的分析與研究，具有較大的工程應用價值，而應力測試則是實現該研究的必要手段。常用的應力測試表征方法有機械法、磁性法、超聲波法、壓痕法、X射線衍射法及數字圖像相關法。

1.1 機械法

機械法是通過機械打孔的手段對零部件進行應力測試，機械法中測試應力的常用方法是鉆孔法。鉆孔法由德國人MATHER在1934年最先提出，并在1950年由SCETE發(fā)展完善，使其在工程應用中具有了較大的價值[7-8]。經過幾十年的發(fā)展，美國材料試驗協(xié)會(ASTM)制定并頒布了鉆孔測量殘余應力的標準ASTM E837—2008StandardTestMethodforDeterminingResidualStressesbyHole-drillingStrain-gaugeMethod。ASTM E837—2008內容合理、細致，具有可操作性，其將應力分為均布應力和非均布應力進行測試，將工件分為薄工件和厚工件進行測試。國內修訂版的CB/T 3395—2013《殘余應力測試方法 鉆孔應變釋放法》和GB/T 31310—2014《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》均采用了ASTM E837—2008的部分內容，并且結合了國內設備和操作的具體情況，使得操作便捷、測量精確。

鉆孔法的基本原理是通過對零部件表面進行鉆孔從而使其應力得到釋放，依據預先貼好的應變片來測量鉆孔前后的應變情況，運用相應的力學公式計算出對應的主應力值及主應力方向，從而確定出該位置的應力大小和應力性質。鉆孔法具有測試精度較高、設備簡單、易于現場操作、應力測試深度較深(1.5～2.0 mm)、對零部件損傷程度小等特點，國內各船廠的焊接殘余應力大多采用鉆孔法進行測試。但對于工程應用中的零部件，應盡量不采用鉆孔法進行應力測試，因為鉆孔會對零部件的表面造成損壞，在一定程度上會改變材料表面的應力分布，導致材料力學性能發(fā)生改變。因此，該方法不適用于船舶系統(tǒng)零部件的應力測試[9-10]。

1.2 磁性法

磁性法的基本原理是利用鐵磁性材料的磁致伸縮效應(即鐵磁性材料在應力的作用下其磁化狀態(tài)會發(fā)生變化)來測量應力[11]，當材料在受力不大時，磁導率的相對變化量與應力成正比。磁性法通過測試金屬零部件內部的磁場變化情況來反映應力變化情況，常見的磁性法有金屬磁記憶法[12-13]、巴克豪森噪聲法[14]、磁應變法[15-16]、磁聲發(fā)射法[17-18]等。

磁性法與其他應力測試表征方法相比，具有無輻射、無損害、測試速度快、深度大(可達數毫米)、攜帶方便等特點，可以在現場對工件進行殘余應力測試。但是磁性法的局限性在于其只能應用于鐵磁材料，并且對材料的內部結構較敏感。因此，測試結果的準確性易受到影響，且每次測試都需事先標定。有資料指出應力與磁導率的關系在應力小于300 MPa時才近似于線形，這些都在一定程度上限制了磁性法在工業(yè)上的應用。船舶系統(tǒng)里大部分材料都要求是無磁性的，因此磁性法在船舶與海工領域的應用較少。

1.3 超聲波法

超聲波法[19-20]可以無損地測量工件表面及內部的殘余應力，是無損測量方法中很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法，該方法是基于OKADA于1940年提出應力引起的聲雙折射現象和1953年美國田納西大學HUGHE和KELLY提出的聲彈性理論而發(fā)展起來的[21,11]。超聲波法的基本原理是零部件中的超聲波隨著外界應力的分布變化而變化，據此建立起傳播速度與應力大小之間的關系曲線，從而計算出應力的大小與性質。超聲波法中最常用的是聲速法和頻譜法，聲速法是根據超聲波的彈性公式建立起的波速與應力之間的關系曲線，由超聲波速度的變化推算出應力的大小與性質；頻譜法是根據傳播速度不同的兩束波發(fā)生干涉效應，從而推算出應力的大小與性質[22-23]。

超聲波法測試應力目前多采用GB/T 32073—2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》，超聲波具有較好的方向性和較強的穿透性，超聲波法能夠無損地測試零件的表面應力和內部應力，并且測試的是應力傳播方向的平均值，同時超聲波法的設備輕便，可以實現現場檢測。但是該方法易受材料狀況(組織、織構等)、零部件性質、工作環(huán)境等的影響，測試精度較低。因此，在工作環(huán)境復雜的船舶與海工領域，超聲波法測應力的應用相對較少。

1.4 壓痕法

壓痕法可分為適用于毫微米尺度和適用于納米尺度的壓痕法，其中納米壓痕法是由OLIVER 等[24]提出并發(fā)展起來的。該方法是基于接觸力學理論，根據加載前后的彈性模量的改變情況來推演應力的大小與性質[25-28]。

采用壓痕法來測試應力時可以利用沖擊力來形成壓痕，該方法與鉆孔法的測試原理相似，即在金屬零部件的表面貼上應變片，應變片中柵的方向與金屬零部件主應力的方向盡量保持一致，在應變片的交點中心位置沖擊出一個納米級別的壓痕，根據測量納米壓痕沖擊前后的應變情況和預先計算的常數，按照胡克定律即可計算出特定方向上的應力大小與性質。國內已經制訂了壓痕應變法標準GB/T 24179—2009《金屬材料 殘余應力測定 壓痕應變法》，表明該方法已可以在工程應用中進行規(guī)范化的操作。

壓痕法測試零部件應力時基本上不損傷被測零部件，設備具有體積小、質量輕、功能強、測試方便等特點，主要用于試驗室應力分析和現場焊接工件的殘余應力測試。但是該測試方法的誤差稍大，大于20～30 MPa。同時，該測試方法主要適用于硬度小于50 HRC的材料。由于納米壓痕法測試零部件應力時主要是在零部件表面0.3～0.6 mm處，因此零部件表面車削和磨削加工引起的殘余應力對測試結果的影響較大。納米壓痕法可以對船舶系統(tǒng)的低應力承載零部件進行應力測試與評價，但是對于高應力承載零部件，該方法的測試效果會相對較差。

1.5 X射線衍射法

X射線衍射法最早由前蘇聯學者AKCEHOB在1929年研究提出，而后在1961年德國學者MACHERAUCH提出了X射線衍射法，至此X射線衍射法才引起各國學者的廣泛關注與深入研究。在標準化測試表征方面，歐盟標準委員會(CEN)于2008年批準了新的X射線衍射殘余應力測定標準EN 15305:2008Non-destructiveTestingTestMethodforResidualStressAnalysisbyX-rayDiffraction。同年，中國也頒布了GB/T 7704—2008《無損檢測 X射線應力測定方法》，并且經過不斷地更新，目前已經頒布了GB/T 7704—2017《無損檢測X射線應力測定方法》。而ASTM也在2010年發(fā)布了X射線衍射殘余應力測定標準ASTM E915—2010StandardTestMethodforVerifyingtheAlignmentofX-rayDiffractionInstrumentationforResidualStressMeasurement。

X射線衍射法的基本原理是X射線入射到物質表面時會產生衍射現象，根據材料晶面間距的變化情況來反映零部件的應變情況，再通過彈性力學定律由應變計算出應力值。X射線衍射法是一種無損測定金屬零部件表面應力的方法。X射線應力測定的基本原理可以表述為：當一束波長為λ的X射線照射到多晶體上時，會在一定的角度上接收到衍射峰，其中衍射晶面間距d和衍射角2θ之間應該滿足布拉格定律。當應力變化時就會引起晶體內部晶面間距d發(fā)生變化，繼而衍射角2θ也隨之發(fā)生變化。所以根據衍射角2θ的變化即可利用彈性力學相關方程求出材料某一方向的應力大小和性質[29-30]。

應力的測試方法中以X射線衍射法的應用最為普遍，因為其理論推導嚴格成熟，測量結果準確可靠，并且在測量表面殘余應力時該方法完全是無損的。X射線衍射法可以測量應力沿層深的分布，測試光斑一般為φ(1～5) mm，所測深度根據靶材和被測試材料的變化而有所不同。X射線衍射法的不足之處在于其只能測試晶粒均勻分布的材料，當被測試材料不能滿足X射線衍射方法中要求材料均勻連續(xù)、各向同性的假設時(如織構材料、粗晶材料等)，測試結果就會有較大的誤差。同時，如果存在材料表面沿深度方向存在較強的應力梯度、衍射峰重疊、衍射強度很低、衍射峰過分寬化等現象時，也會降低X射線衍射法測試結果的準確性。因此，X射線衍射法對于無織構、近似均勻連續(xù)的金屬零部件的應力測試結果準確，而對其他零部件的應力測試效果相對較差。

1.6 數字圖像相關法

數字圖像相關(DIC)法是一種利用計算機軟件處理采集到圖像，從而得到物體表面或者內部位移場與應變場的變化情況，DIC法是一種非接觸的、無損的應變測量方法，在復雜載荷、高濕、高溫等復雜環(huán)境下的應變測試方面具有很大的優(yōu)勢。DIC法最早可以追溯到1982年由YAMAGUCHI[31]和PETERS[32]提出的測量變形物體表面位移和應變信息的非接觸式光學測量方法。

DIC法的基本原理是通過對試樣不同狀態(tài)下的圖像進行對比和處理，關聯相機的各像素點狀態(tài)變化前后的灰度值改變。利用數學圖像處理技術得到各個預設子區(qū)的變化信息。DIC法的技術基礎是基于計算機對圖像的處理和數值的計算，根據光通量守恒原理，選擇相關性最高的對應位置作為變形后的子區(qū)，從而得到高精度的應變信息。因此，在數字圖像相關技術中保證各個子區(qū)之間的高精度辨識是十分必要的。一般是通過對測試物體表面隨機分布的散斑進行系統(tǒng)研究來提高辨識的準確率。對于本身就具有清晰紋理的零部件就無需進行表面處理，而對于表面沒有紋理的材料則需要人工制作散斑場后再進行測試[33-37]。

三維的數字圖像相關技術最早是在1993年由LUO等人[38]提出的，其基本的構思是利用三維成像的原理將被測試樣表面變形前后的散斑點進行標定和記錄，進而得到零部件表面的三維形貌特征和應變信息。該方法的測試系統(tǒng)采用主體拍攝技術，使物體表面被測區(qū)域被聚焦在兩個CCD相機(采用電荷耦合器件為感光元件的相機)成像面的像素上，根據每個相機的成像參數(內部參數)和相機間的相互位置(外部參數)，則可計算出物體表面每個點的三維坐標變化，進而計算出物體表面每一點上的應變張量，如圖1所示。

圖1 三維數字圖像相關技術示意圖Fig.1 Diagram of 3D digital image correlation technology

DIC法作為一種光學測量方法，與其他傳統(tǒng)的應力測試方法相比，具有較多的優(yōu)點。首先，DIC法進行測試時與被測件無接觸，因而可以在眾多的復雜環(huán)境下應用；其次，該方法是完全的無損測試，不會對零部件造成任何的損傷和破壞。DIC法因為其獨特的優(yōu)點被廣泛應用于多領域多種材料的應力性能測試中，但在應用過程中會出現測量精確性不確定、高溫試驗測量誤差大、大曲率物體可測面積有限等問題。在船舶系統(tǒng)與海工領域，DIC法可以實現眾多工況下的應力測試與評價，是最有應用前景的應力測試方法。

2 結束語

在船舶與海工領域，應力大小的測試和應力性質的評價是船舶系統(tǒng)零部件安全可靠運行所必須的。常用的應力測試表征方法有機械法、磁性法、超聲波法、壓痕法、X射線衍射法及DIC法，各種測試評價方法在有效性、準確性和操作簡便性等方面都有自己的優(yōu)缺點。機械法、壓痕法、X射線衍射法以及DIC法在船舶系統(tǒng)的實際工程應用中可以滿足不同情況下的測試需求，可以為船舶系統(tǒng)零部件的安全可靠運行提供一定的技術支持。特別是DIC法具有非接觸、無損、應用范圍廣、設備便攜等特點，已成為船舶系統(tǒng)零部件應力測試與評價的最優(yōu)選擇。但是對DIC法在高溫、高濕腐蝕環(huán)境下的測量誤差大、大曲率零部件測試面積有限等問題，還需要進行深入研究與試驗驗證。