呂克茂, 呂東艷, 程時美

[1.邯鄲市愛斯特應力技術有限公司, 邯鄲 056011； 2.北京科技大學(管莊校區(qū)), 北京 100024]

2015,2017和2019年分別在都江堰、杭州和丹東召開了第18,19和20屆全國殘余應力學術交流會。會議上除概括介紹殘余應力技術應用研究的進展之外，還單獨提及超聲沖擊強化技術相關問題，以及中子衍射和同步輻射殘余應力技術發(fā)展概況。筆者認為作為學術交流的總結(jié)，有必要將殘余應力分類及其X射線表征、形變強化的機制等方面不同的學術觀點加以歸納，供業(yè)界參考。

1 殘余應力技術的應用研究

近年來殘余應力技術，特別是噴丸強化(表面產(chǎn)生殘余壓應力)技術，已經(jīng)應用于大部分機械行業(yè)，形成規(guī)模，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。據(jù)估算，近5 a(年)來全國的殘余應力測試工作量比以往同期增長數(shù)倍。

上海交通大學姜傳海在核電設備的汽輪機輪盤、葉片、轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器，以及各種重要裝備的齒輪、彈簧的殘余應力測試和研究方面作了大量的、卓有成效的工作。中國航發(fā)北京航空材料研究院陶春虎在大量航空制件失效分析中評估了殘余應力的作用，認為殘余應力對航空構(gòu)件的服役安全起關鍵作用。北京衛(wèi)星制造廠朱小溪等介紹了殘余應力測量技術在航天領域的應用。

1.1 殘余應力與疲勞

殘余應力與疲勞性能的關系是殘余應力應用研究最為廣泛、深入且成果最為顯著的主題。

重慶大學葉文海研究了模具鋼的熱疲勞與殘余應力問題。上海理工大學盧曦在杭州會議上系統(tǒng)地闡述了涉及殘余應力的抗疲勞設計和制造中的理論及技術問題。西北工業(yè)大學劉道新等將鈦合金進行了離子滲鋯+噴丸復合處理，使材料的微動疲勞壽命顯著提高，主要原因歸于復合處理獲得了更為有利的殘余壓應力場。西南交通大學陳輝團隊對高速列車鋁合金焊接結(jié)構(gòu)進行研究，闡述了工藝過程對殘余應力狀態(tài)的影響，殘余應力對高強度鋁合金服役行為的影響及高速列車焊接殘余應力的調(diào)控措施。陳輝團隊的工作重點涉及疲勞，并通過試驗驗證了平均應力理論即Goodman關系，提及殘余應力對疲勞裂紋擴展速率的影響等。馬傳平指出，噴丸的效果較好，能把表面全部變?yōu)閴簯顟B(tài)，而且在整個疲勞試驗周期內(nèi)(12×106周次)表面應力性質(zhì)不發(fā)生改變，可以保證構(gòu)架側(cè)梁的抗疲勞能力。

北京航空材料研究院王欣等針對FGH96粉末合金，研究了一次噴丸、二次噴丸和車削狀態(tài)下其表面形貌、殘余應力場和高溫低周疲勞壽命，噴丸介質(zhì)是陶瓷彈丸+鑄鋼丸+陶瓷丸。結(jié)果表明，裂紋萌生壽命的差別是造成各種工藝間低周疲勞壽命差別的根本原因；如何通過工藝方法保障粉末合金表面狀態(tài)，成為提高其低周疲勞壽命的關鍵；二次噴丸后表面留下圓滑彈坑使得表面實際微觀應力集中減小，降低了局部的實際受力；在0～0.1 mm處數(shù)值較大的殘余壓應力場，緩和了實際外加載荷，也降低了局部的實際受力；噴丸引入的表層彈塑性形變，提高了進一步滑移萌生裂紋的難度,這使得疲勞裂紋萌生需要更大的能量，從而延長了裂紋萌生壽命；最關鍵的是，低周疲勞可以通過表面強化手段提高壽命。王欣、宋穎剛與沈陽黎明航空發(fā)動機公司的孟震威合作研究了噴丸強化對M152馬氏體熱強鋼疲勞性能的影響。

大連理工大學付雪松、趙慧生等對TC4鈦合金進行濕法噴丸(濕噴丸機器以空氣壓縮機為動力，將陶瓷彈丸和水按質(zhì)量比1…10的比例混合成磨液，以較高的速度噴射到實驗材料表面)。結(jié)果表明，低載時疲勞裂紋源出現(xiàn)在材料次表層；當外部載荷為550 MPa時，裂紋源位置距表面200 μm；隨著載荷增加，裂紋源逐漸向表面轉(zhuǎn)移。由此筆者聯(lián)想到，按照張定銓、何家文[1]的論述，基于殘余應力在疲勞中起到平均應力作用的觀點，依據(jù)Goodman關系，可以把表面噴丸壓應力折算為材料局部疲勞抗力；當載荷應力低于局部疲勞抗力時，疲勞壽命提高n個數(shù)量級之后，繼續(xù)循環(huán)，才可能在夾雜物處產(chǎn)生表下疲勞源；如果疲勞載荷高于或接近局部疲勞抗力，疲勞裂紋源自然會相應地轉(zhuǎn)移至表面或近表層。付雪松、趙慧生等還證實，噴丸處理TC4合金因彈丸撞擊使表面粗糙化，形成微尺度的凹凸起伏輪廓并誘發(fā)應力集中效應。噴丸強度為0.4 mm，覆蓋率200%時，表面粗糙化缺口效應的應力集中系數(shù)為1.42，強化層深度達50 μm。當外加載荷為550 MPa時，缺口根部應力值為781 MPa，會加速裂紋萌生和擴展，對疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

上海汽輪機廠丁麗鋒依據(jù)測試所得的數(shù)據(jù)對核電汽輪機低壓轉(zhuǎn)子輪盤的噴丸強化殘余應力與其疲勞壽命的關系作了評述。一汽集團李潤哲從材料熱處理和噴丸工藝方面進行綜合研究，提升了彈簧的材料性能和制造工藝技術水平，使得一汽集團生產(chǎn)的新一代車型的高工作應力懸架彈簧的壽命得到可靠保障。上海航天控制技術研究所劉煥秀等研究了齒輪鋼的噴丸強化效果，對于齒輪鋼來說，噴丸的作用除了產(chǎn)生殘余壓應力之外，還可以降低殘余奧氏體含量提高尺寸穩(wěn)定性，增加表面硬度、耐磨性以及抗疲勞性能。中車戚墅堰機車車輛工藝研究所劉忠偉、唐亮分析了重載機車齒輪軸近齒端油槽底部斷裂事故，試探采用噴丸、超聲沖擊等不同的強化方案。另外輪緣厚度小于全齒高的“薄壁齒輪”，過盈裝配會使齒根產(chǎn)生較大的拉應力，因此會發(fā)生因疲勞而斷齒的事故。采用噴丸強化手段，使齒根的壓應力達到-850～-1 200 MPa，保證了薄壁齒輪安全運行，由此一項便為公司帶來巨額經(jīng)濟效益。近年該團隊還進行了直徑小于0.1 mm的微粒子噴丸的初步研究，其可改善齒輪表面質(zhì)量，取得了有益成果。 中科院力學所李正陽研究了激光相變硬化對亞共析鋼接觸疲勞性能的影響。激光相變硬化處理后的亞共析車輪鋼的抗接觸疲勞能力顯著增加，疲勞試驗后沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形。經(jīng)分析，主要原因有3點：一是相變硬化層的硬度大，不易變形；二是硬化層內(nèi)的殘余奧氏體在接觸疲勞試驗過程中既保證了韌性，又通過部分形變誘導轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增加了硬度；三是殘余應力的存在延緩了疲勞裂紋的萌生與擴展。華東交通大學何柏林研究了超聲滾壓對45鋼表面完整性和疲勞性能的影響，滾壓對零件表面起到光整作用，同時產(chǎn)生有益于疲勞強度的壓應力。西南交大李行、張繼旺對機車車軸鋼進行了微粒子噴丸，取得可喜成果。

陸軍裝甲兵學院董世運、汪勇等在再制造領域進行了大量的殘余應力測試和研究工作，取得了豐碩成果，核心內(nèi)容涉及再制造零部件的使用性能和壽命與殘余應力的關系。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力

水利部鄭州水工機械質(zhì)檢中心靳紅澤等長年從事水利水電工程中的鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應力的檢測工作，遍及全國各地的著名大型水利水電工程，將X射線應力儀應用于現(xiàn)場檢測，積累了豐富的經(jīng)驗和資料。岔管是水電站地下工程中的關鍵部件，結(jié)構(gòu)復雜，焊縫占比大，其焊接質(zhì)量和殘余應力備受業(yè)界關注。靳宏澤的檢測結(jié)果表明，適當提升岔管例行水壓試驗的壓力，可以降低約30%的焊接殘余應力幅度。

筆者早年應邀到四川二灘水電站檢測轉(zhuǎn)輪焊接應力及對焊縫進行局部保溫退火處理之后的應力，發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的復雜性和強大拘束條件的存在，局部退火之后的焊縫及熱影響區(qū)依然殘余較高的應力。轉(zhuǎn)輪各處較高的、極不均勻的應力，在運行過程中自然會逐步松弛，但是必然以產(chǎn)生永久變形為代價。轉(zhuǎn)輪的變形將破壞原有的動平衡狀態(tài)，特別是葉片之間迷宮間隙的不均勻，會引起附加振動，這些因素必將有損于轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命。筆者的這些分析結(jié)論后來得到了應驗。

西南交大陳輝在都江堰會議上作了題為《工藝過程對鋁合金結(jié)構(gòu)焊接殘余應力及服役性能影響研究》的報告。電弧焊接廣泛應用于高速列車車體、轉(zhuǎn)向架金屬及其復合材料的結(jié)構(gòu)制造，但是當下急需解決包括鋁合金焊接變形、焊接殘余應力、焊接接頭軟化等在內(nèi)的諸多問題，發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保、智能焊接新方法新理論，完成高速列車焊接制造的再創(chuàng)新。試驗結(jié)果指出激光-MIG(熔化極惰性氣體保護焊)電弧復合焊接方法結(jié)合激光焊和傳統(tǒng)MIG焊的優(yōu)點，具有能量集中、焊接效率高、熱輸入小、焊接變形小等優(yōu)點，可以獲得高質(zhì)量的鋁合金焊接接頭。茍國慶、馬傳平等關注高速列車鋁合金車體轉(zhuǎn)向架焊接殘余應力分布及極端條件下的殘余應力，通過大量測定車體、轉(zhuǎn)向架制造過程各工序之間和經(jīng)過一定時期運行之后的殘余應力，然后進行統(tǒng)計分析，從中找出殘余應力產(chǎn)生和演變規(guī)律，便于掌控和調(diào)整殘余應力。中國核動力研究設計院伍建文等研究了Inconel690合金與321不銹鋼異種金屬焊接接頭的殘余應力。

1.3 構(gòu)件變形與殘余應力

構(gòu)件變形與殘余應力密切相關。除了焊接結(jié)構(gòu)的變形備受關注之外，不少學者還致力于研究軋制金屬板材的板型以及板材制品的后期變形問題。中國鋼鐵股份有限公司郭士綱介紹了有關鋼鋁板的平坦度與殘余應力的研究成果。中鋁材料應用研究院有限公司牛關梅等研究了鋁合金構(gòu)件的殘余應力。超高強鋁合金具有比強度高、耐腐蝕、延展性好等優(yōu)點，在航空航天器材制造中所占有的材料比例已經(jīng)達到80%以上。7085鋁合金是新一代高強、高韌、低淬火敏感性航空結(jié)構(gòu)材料，主要應用于飛機大型主承力結(jié)構(gòu)件的制造。自由鍛造鋁合金超厚板淬火殘余應力過大的問題顯著，淬火殘余應力過大極易導致厚板后續(xù)加工變形、尺寸精度達不到要求而報廢，國內(nèi)外一直非常重視航空結(jié)構(gòu)零件加工變形的研究。殘余應力在鋁合金鍛件塑性加工過程中普遍存在，對于超厚截面(厚度50 mm以上)鍛件，淬火殘余應力尤為突出。傳統(tǒng)冷壓的方法可以顯著減小厚板的淬火殘余應力。結(jié)合試驗和有限元模擬法，牛關梅等得出的結(jié)論是，7085鋁合金自由鍛厚板浸沒式淬火過程心部溫度降到350 ℃需要60 s，降溫過程中角部與心部最大溫差可達298 ℃；淬火后自由鍛厚板的殘余應力場呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓狀態(tài)，x向和y向應力范圍為-221～248 MPa，z向應力相對很小。對比分析得出，分段重疊冷壓法削減淬火殘余應力的最優(yōu)冷壓量為1%。經(jīng)過1%冷壓后，厚板淬火應力明顯降低，大部分應力分布于-50～50 MPa?；诜侄卫鋲旱臋C理，冷壓面重疊區(qū)域有一定的高拉應力集中區(qū)，拉應力最高達107 MPa。此外，哈爾濱工業(yè)大學姜建堂等研究了大型鋁合金構(gòu)件殘余應力演化及變形響應，北京理工大學、北京航空航天大學李變紅等對初始殘余應力和加工引入殘余應力對加工變形的影響進行了研究。

1.4 殘余應力分析用于在役管道的安全評估

西南交通大學成志強教授聯(lián)合蘇州天然氣管網(wǎng)公司將殘余應力應用于油氣管道的安全評估。

我國油氣管道總長度在12×104km以上，堪稱國民經(jīng)濟的大動脈。成志強團隊開展了全尺寸模型管道內(nèi)壓和彎曲試驗，驗證了X射線應力檢測的有效性和檢測精度。在冬季管道發(fā)生凍脹期間，應用X射線應力分析儀器對凍脹管道進行現(xiàn)場檢測?；趹ΨN類的區(qū)分及識別成果，參照管道相關標準，確定了凍脹管道的安全裕度。對高危管道進行實時應力監(jiān)測之前，采用X射線應力分析儀器檢測管道當時的應力，作為監(jiān)測應力的基礎值，提高了管道應力監(jiān)測預警的精度。成志強利用X射線測定殘余應力，監(jiān)控管道安全，此項工作具有開創(chuàng)性。

2 激光沖擊強化

激光沖擊強化作為一種新型的金屬材料表面改性技術，其利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波來提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力。與現(xiàn)有的冷擠壓、噴丸等金屬材料表面強化手段相比，具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點，自產(chǎn)生以來得到了廣泛的關注和研究。美國公開資料表明，激光沖擊強化技術是美國F22戰(zhàn)斗機發(fā)動機維護的標準配備，可使F119發(fā)動機的風扇和壓氣機整體葉盤疲勞壽命提高4～5倍,美軍艦載機的著艦尾鉤等也采用激光沖擊強化技術來提高其疲勞壽命。我國從20世紀90年代就開始進行激光沖擊強化技術的研究，由于該技術在國防、航空方面的高度敏感性，一直受到國外技術封鎖，江蘇大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、溫州大學、中國科學院沈陽自動化研究所、廣東工業(yè)大學等相關單位經(jīng)多年努力探索取得了很大的進展。

溫州大學馮愛新教授報道了上述單位激光沖擊強化技術的最新研究進展，提出并報道了基于激光沖擊波的材料組織、應力狀態(tài)和性能定量調(diào)控技術，及其在航空發(fā)動機葉片、汽車關鍵零部件、風電軸承、再制造/熔覆表面的復合強化，泵閥、高端刀具和工模具的應用研發(fā)進展；介紹了各單位的激光沖擊強化裝備及其應用情況；介紹了針對不同工程背景下的強化需求的深冷激光沖擊和中高溫度場氛圍的激光沖擊的研究進展，針對智能化生產(chǎn)組織的系列柔性能量吸收層/約束層技術研發(fā)進展等。就不同研究與工程背景下的激光沖擊強化的殘余應力表征方法、分布規(guī)律、演化機制、影響因素、研究熱點等進行了系統(tǒng)闡述與探討。

3 中子衍射和同步輻射

近年來采用中子衍射和同步輻射測定殘余應力的設備和技術有了長足進展。北京科技大學王沿東等的報告題目為《同步輻射與中子衍射在工程材料服役損傷評估中應用研究》。中國工程物理研究院陳波作了《中物院中子衍射殘余應力分析平臺與應用》的報告。中國科學院上海應用物理研究所李麗作了《基于同步輻射光源的應變/應力分析》的報告。中國原子能科學研究院劉蘊韜等介紹了中國先進研究堆中子殘余應力試驗平臺。西華大學樊坤陽作了《氧化鋁基陶瓷復合材料殘余應力及其對力學性能的影響》的報告，其應力測定方法是中子衍射。

中國散裂中子源落戶東莞，2017年出束，2018年建設完成。廣東省和東莞市邀請張書彥教授回國，創(chuàng)立東莞材料基因高等理工研究院，拓展中國散裂中子源在材料與裝備制造領域的應用。張書彥作了《中子衍射殘余應力分析技術及其應用》的報告。

中國散裂中子源中科院高能物理研究所胡春明介紹了中子布拉格邊透射及其應用。所謂布拉格邊透射，就是布拉格衍射的一個特例，當衍射角2θ=180°的時候，在接收距離固定的條件下通過精密測定中子飛行時間，計算其飛行速度，進一步計算波長，便可測定晶面間距。

4 超聲法、盲孔法的進展與應用

北京理工大學徐春廣教授研發(fā)的超聲應力儀利用超聲波在材料中的傳播速度等參量，無損檢測構(gòu)件內(nèi)部殘余應力的大小及分布，并可檢測切向和法向應力，已經(jīng)在航空航天、兵器船舶、管道橋梁、軌道交通等領域得到廣泛應用，并形成相應的標準[3]。筆者早年的研究工作指出，影響超聲傳播速度的主要因素是材料和組織結(jié)構(gòu)，應力狀態(tài)的影響是次要的。

鄭州機械研究所印兵勝介紹盲孔法測試殘余應力時傳統(tǒng)方法是一次鉆孔到位，只能測出孔深范圍內(nèi)的平均殘余應力,而且由于鉆頭對孔邊形成擠壓，鉆孔本身會產(chǎn)生較大的應變，影響測量精度。國外最新的高速鉆孔設備，采用逐層鉆孔，在表面以下1.25 mm深度范圍內(nèi)，可以逐層測出每一個0.05 mm層深上的殘余應力。而且由于采用倒錐形的鉆頭，鉆孔本身產(chǎn)生的變形可控制在±8 mm以內(nèi)。目前高速鉆測殘余應力在國內(nèi)應用逐步展開，但設備還依賴進口。盲孔法廣泛應用于測量焊縫殘余應力，來評定焊接質(zhì)量是否合格。另一重要應用領域是檢查振動消除殘余應力的效果，為振動消除殘余應力的工藝制定提供依據(jù)。采用振動消除殘余應力替代熱處理消除殘余應力，可大量節(jié)能減排。盲孔法也用于有機玻璃、玻璃鋼等準各向同性材料的殘余應力測試，并為這些材料的生產(chǎn)和熱處理消除殘余應力提供幫助。

5 殘余應力的分類及其X射線衍射信息表征

1935年達維金科夫按X射線不同衍射效應將內(nèi)應力分成3類[1]。第I類應力在宏觀尺寸范圍內(nèi)平衡，引起X射線衍射譜線位移；第II類應力在晶粒尺寸范圍內(nèi)平衡，使譜線展寬；第III類應力在單位晶胞內(nèi)平衡，使衍射強度下降。這樣定義一方面是未說清楚3類應力間關系，另一方面也發(fā)現(xiàn)多相材料不同晶粒間的應力也可以引起譜線位移，與定義不符。

德國科學家馬赫勞赫對內(nèi)應力重新定義：第I類內(nèi)應力在材料的宏觀范圍內(nèi)平衡，當平衡破壞時有尺寸變化;第II類應力在晶粒尺度內(nèi)平衡，當平衡破壞時有尺寸變化;第III類應力存在于原子尺度，平衡破壞時不會發(fā)生尺寸變化。3類應力間的關系如圖1所示。

以上是殘余應力學術領域人盡皆知的基本知識。然而何家文在2017年杭州會議上對馬赫勞赫的3類應力圖作了新的詮釋，如圖2所示。

圖2 多晶中的3類應力示意圖Fig.2 Schematic diagram of three internal stresses in polycrystal

圖2表示各晶粒取向不同，各晶粒有其自己的內(nèi)應力，在宏觀范圍平均后得到平均的宏觀應力是第I類應力。每個晶粒的應力和宏觀平均應力之差為第II類應力。第III類應力則是一個晶粒內(nèi)應力的波動。何家文在馬赫勞赫原圖中加上應力分布曲線，如圖3所示。其認為第III類應力分布曲線上取中值即為第II類應力，第II類應力分布曲線上取中值即為第I類應力。進一步闡明，采用X射線法測定宏觀應力時得到的衍射峰，是由相應范圍內(nèi)各個晶粒衍射峰疊加而成的。因此，衍射峰的半高寬包含了各個晶粒應力分散度這個因素。

圖3 3類應力的分布曲線關系Fig.3 Distribution curves relationship of three internal stresses

達維金科夫定義的3類應力的依據(jù)是X射線衍射效應，但未說明3類應力間關系。馬赫勞赫描述了材料中3類應力間關系，但無衍射效應。何家文新的詮釋則將應力分類一方面和材料的晶粒結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，明確了3類應力之間的關系，另一方面又和X射線衍射信息相聯(lián)系，對當前的殘余應力學術研究具有指導意義。

呂克茂汲取何家文關于分散度的觀點，在杭州及丹東會議上概括敘述了衍射峰半高寬的物理意義，以及與材料性能的關系。

6 形變強化的理論問題

2015年汝繼來在都江堰會議上作報告，介紹了以北京航空材料研究院王仁智為代表的學者對于噴丸強化機理的觀點。王仁智等認為噴丸強化原理中的“應力強化機制”既不是唯一的、更不是萬能的?！皯娀瘷C制”主要用來改善正斷型疲勞斷裂抗力。當材料/彈簧因承受的剪切應力增高和逐漸逼近材料的剪切極限，迫使發(fā)生切斷型模式的疲勞斷裂時，“應力強化機制”的效應基本消失。根據(jù)彈簧的受力分析結(jié)果，這時改善切斷型模式的疲勞斷裂抗力主要由“組織結(jié)構(gòu)強化機制”來替代，這就是殘余壓應力在改善扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂抗力作用中表現(xiàn)出的局限性。

何家文認為，王仁智如上分析用的是靜斷機制。在靜扭轉(zhuǎn)載荷之下確有3種不同斷裂方式，剪斷占了兩種，看來是主要機制。但在疲勞載荷之下的彈簧98%～99%都是正斷，只有在材料、工藝有誤時才出現(xiàn)剪斷。理論上，20世紀80年代就有文章指出當載荷大于屈服強度70%或服役超過10×104周次的扭轉(zhuǎn)疲勞均為正斷，因此噴丸殘余應力仍起主導作用。此外彈簧熱處理過程表面難免貧碳，噴丸時易于產(chǎn)生難以察覺的微裂紋，疲勞載荷下無需萌生即可擴展，此時完全沒有萌生階段，強化當然不起作用。

以西安交通大學何家文為代表的學者對殘余應力與疲勞性能進行了系統(tǒng)深入的研究，張定銓、何家文合著的《材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用》[1]一書匯集了他們的研究成果。近年來何家文[2]強調(diào)說明：①殘余應力在疲勞中起到平均應力的作用，因殘余應力不像平均應力在截面上均勻分布。根據(jù)Goodman關系，噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力可以折算成局部疲勞抗力，這是殘余壓應力提高疲勞壽命的本質(zhì)所在。②衍射峰半高寬表征的第II類內(nèi)應力不僅和位錯密度等強化因素有關，也反映各個晶粒中應力大小的分散度；盡管材料中的殘余壓應力比較大，但是如果分散度也比較大，相當于材料中存在微裂紋易于擴展的“短板”，不利于提高疲勞強度；改進噴丸工藝，二次噴丸，有利于降低應力分散度，便可顯著改善抗疲勞性能。③噴丸實踐中，要求提高疲勞強度的結(jié)構(gòu)件中，裂紋擴展期占疲勞壽命的主要部分，萌生期則很短。且噴丸自身也易形成表面微裂紋，因而大多數(shù)情況下殘余應力起決定性作用；由組織結(jié)構(gòu)強化阻止裂紋萌生來提高疲勞強度，只在超高周疲勞中才有明顯作用。④即使組織細化引起的材料強化能夠起到提高疲勞強度的作用，如果過度地噴丸或研磨，勢必在零件表面造成損傷，乃至脆化剝落。因此，企圖通過形變使材料納米化是不切實際的做法。傳統(tǒng)噴丸表面形成的是晶體學取向相差很小的位錯胞，位錯胞壁和晶粒的晶界不同，不能阻止位錯穿越，因而表征晶粒大小與強度的Hall-Petch關系失效。

7 新近出版的學術專著

2019年上海交通大學材料科學與工程學院姜傳海與上海理工大學詹科、中科院上海冶金研究所楊傳錚合作編著的《材料噴丸強化及其X射線衍射表征》一書出版。該書在噴丸強化技術和X射線衍射法應力測定兩個方面都作了系統(tǒng)而詳盡的闡述。前者既包括金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析、形變強化機制，又包括噴丸工藝參數(shù)的選擇、對噴丸設備的要求和噴丸實踐經(jīng)驗,涉及各種常用金屬材料，還有噴丸應力的數(shù)值模擬等；后者既包括X射線金屬學知識、X射線衍射理論，又包括應力測定的原理方法和應力測定的細節(jié)問題，還有線型分析等。

8 值得關注的其他學術問題

布魯克公司賀保平講解了二維X射線衍射儀及殘余應力測定方法，對于應力測定方法和手段的提升具有指導意義。

鋼鐵研究總院白埃民探討了X射線衍射法三維應力模型的結(jié)構(gòu)和應用，單晶功能材料殘余應力的特征分析和測量方法設計。

北京科技大學王沿東團隊開展金屬材料疲勞形變亞微米尺度應力分布的原位研究，揭示了疲勞剪切帶損傷的微觀機制。金屬材料在應力載荷下的疲勞形變導致位錯局域累積，造成材料損傷及微納裂紋形核。對于具有平面滑移特征的合金，在疲勞過程中形成的駐留形變剪切帶是損傷破壞的基本單元，其形成與擴展制約了材料的疲勞強度與壽命，而剪切帶的三維介觀位錯模型及時空分辨的動態(tài)演化機制是形變與損傷領域中急需解決的關鍵科學難題。王沿東團隊利用同步輻射X射線微束衍射原位分析技術，通過對疲勞剪切帶位錯結(jié)構(gòu)引起的巨大應力梯度與微小取向梯度的精確表征，確定亞微米尺度應力場動態(tài)演化的精細過程；揭示了幾何必需位錯對剪切帶的形成、剪切帶交互作用及微觀損傷的影響機理；以平面滑移金屬低應變幅循環(huán)形變?yōu)槔?，澄清了交叉剪切帶處應力集中引起疲勞壽命偏離經(jīng)典Coffin-Manson定律的物理本質(zhì)。同時，利用具有三維分辨的同步輻射原位表征手段，開展塊體材料局部形變與損傷破壞研究。根據(jù)晶粒取向相關的疲勞微觀損傷的精細測量，提出剪切帶交互作用下新的位錯模型。這一研究成果對金屬材料的疲勞斷裂行為與使用壽命準確預估及高性能設計具有重要指導意義。

GB/T 7704—2017《無損檢測 X射線應力測定方法》恰逢2017年杭州會議期間發(fā)布，該標準涵蓋了EN 15305：2008和ASTM E915—2010的精髓，融匯了國際國內(nèi)X射線應力專家的研究成果、重要結(jié)論和實踐經(jīng)驗。GB/T 7704—2017為X射線應力測定工作制定了基本規(guī)范，適用于國產(chǎn)和國際知名品牌的X射線應力儀。該標準的貫徹實施將有利于使用國產(chǎn)儀器、進口儀器以及衍射儀的應力工作者，能夠較為明確地理解測量原理和方法，能夠有相同或相通的規(guī)范，最后得到有可比性的、大家相互認可的測量結(jié)果。筆者在都江堰、杭州會議上就標準的修訂作了說明，對其中的新概念予以解釋。

吳威德介紹了很多殘余應力技術的應用實例。戴文元就X射線應力測定的方法問題作了非常專業(yè)的講解，例如有關cosα法與sin2ψ法的比較，具有理論深度和實際意義。

9 國產(chǎn)殘余應力測試設備的進展

2015年以來，國產(chǎn)X射線應力測定儀采用國際先進的硅微帶線陣探測器，設備的功能發(fā)生了飛躍性的提升，大大縮小了與國際知名品牌同類儀器的差距，并且某些功能具有獨到之處。

愛斯特應力技術有限公司在都江堰會議上推出X射線應力分析機械手和應力分析寶盒。RS-2015型X射線應力分析機械手，借助機器人技術實現(xiàn)多功能,側(cè)傾法、同傾法兼容，可進行主應力、剪切應力、殘余奧氏體含量等測試。

2017年在杭州會議上推出XL-640型應力儀。該型號為通用型，X射線管功率300 W，測定正應力、剪切應力、主應力、應力分布云圖及殘余奧氏體含量。XL-640型基于側(cè)傾固定ψ法的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)正確的側(cè)傾法多ψ角測量。在確定X射線管靶材的條件下，一但選定被測材料，測角儀可自動定位于正確的名義衍射角，無需人工干預。測定殘余奧氏體含量時連續(xù)自動完成α,γ兩相衍射峰的采集，無需人工干預，這些都是XL-640型獨有的功能。XL-640型應力儀既可作為試驗室儀器，又方便攜帶到現(xiàn)場使用，可與上位機的電腦和下位機之間采用WiFi無線通訊，極大方便了現(xiàn)場測試。

新近推出的ψDD-12型X射線應力分析寶盒，可實現(xiàn)雙探測器、正負ψ角同傾法測試。

最新研發(fā)的DX-4001型應力儀采用微型面探，依據(jù)sin2ψ法原理，創(chuàng)新設計手提式X射線應力儀。測量方法為側(cè)傾法，采用正、負多ψ角測試，同時測定正應力和剪切應力；在德拜環(huán)上尋峰，能夠得到更加正確的衍射角，提升應力測定準確性。觀察德拜環(huán)可直觀判斷材料組織結(jié)構(gòu)特性和應力測定的可信度。

2018年丹東浩元儀器公司依托X射線衍射儀技術研發(fā)成功的DST-17型X射線應力測定儀，具有大功率、高分辨，測量結(jié)果準確等特點。該儀器既可以選擇同傾法、又可以選擇側(cè)傾法；既可以選擇硅漂移探測器對工件應力精確測量，又可以選擇半導體線陣探測器對工件應力進行快速測量；并具備殘余奧氏體含量測定、極圖精確測量功能。

10 結(jié)束語

從2015年至2019年，我國殘余應力學術領域取得長足進展。殘余應力技術已經(jīng)廣泛應用到各類機械的強度設計、制造工藝和設備運行安全分析之中，在諸如航空、航天、高鐵、核電、水利水電等國民經(jīng)濟的重要部門取得可喜成果，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來利用中子和同步輻射測定應力的技術也逐步進入實際應用階段。

對于所有類型的機械，特別是航空、航天、高鐵等，延長使用壽命、保障安全運行、避免災難性斷裂事故都是第一要務，所以提高服役零部件的疲勞強度備受關注。目前噴丸、滾壓等機械形變強化手段的應用已經(jīng)非常普遍。深入研究形變強化機理對于提升工藝效果具有指導意義。在本領域里近年來何家文提出了一些重要論點，引起學界廣泛關注和熱烈討論。目前的共識似乎可以這樣歸納，形變強化是經(jīng)濟的、行之有效的手段，強化的主要因素是表層的殘余壓應力；過度的形變會造成損傷，不利于提高疲勞強度，企圖通過形變使材料納米化是不切實際的做法；改進噴丸工藝，在提升殘余壓應力水平的同時降低材料內(nèi)的應力分散度，對于提高疲勞強度是有利的。

2015年以來，國產(chǎn)X射線應力測定儀采用國際先進的硅微帶線陣探測器，設備的功能發(fā)生了飛躍性的提升，大大縮小了與國際知名品牌同類儀器的差距，并且某些功能具有獨到之處。