鄧新，邱長軍

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

0 引言

大部分零件在加工制造過程中均會產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力是指外力或溫度場等外作用場完全消失后留在物體內(nèi)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，對構(gòu)件力學(xué)性能有著顯著的影響[2]。殘余應(yīng)力測量可以分為非破壞性技術(shù)和破壞性技術(shù)。非破壞性方法在測量時不需要破壞工件，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，是過去幾十年來用于應(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。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[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“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場的等位移條紋級數(shù)；Ny為v場的等位移條紋級數(shù)。

位移產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變分量為：

2 云紋干涉法測量材料殘余應(yīng)力的應(yīng)用

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，云紋干涉法測量殘余應(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)時觀測、全場分析等優(yōu)點(diǎn)，在材料殘余應(yīng)力測量方面得到廣泛的應(yīng)用。Jiang Yi等[4]利用云紋干涉法測定等離子噴涂，測量了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)測量薄膜的偏轉(zhuǎn)和殘余應(yīng)力。開發(fā)了一種新型光學(xué)裝置，用于測量涂層樣品中產(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)行了原位測量，測量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報道數(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，從而能夠測量移動、旋轉(zhuǎn)和縮放變化，無論該層是平行的、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量和幾何相位分析的應(yīng)變表征技術(shù)，在特定頻率下對晶體周期進(jìn)行采樣，應(yīng)用采樣理論的基礎(chǔ)來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，利用破壞試樣釋放殘余應(yīng)力的變形場來計(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)行有用的測量，比通過應(yīng)變儀進(jìn)行的測量要近得多，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量，具有較好的性能分辨率和允許測量更接近孔邊緣，同時采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。Qin Le等[10]研究了云紋干涉法結(jié)合鉆孔法測量殘余應(yīng)力時測試區(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，在云紋干涉測量中采用沿0°、45°、90°方向分布的光柵應(yīng)變花，來確定纖維增強(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)合測量殘余應(yīng)力的報道相對較少，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)力測量方法，發(fā)現(xiàn)對于過盈配合試件，該方法與鉆孔云紋干涉法的測量結(jié)果相同；且云紋干涉環(huán)芯法的測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)行了不同尺度的測量。切割松弛法的條紋圖可以在宏觀尺度上清楚地說明由殘余應(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)芯法測量殘余應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光學(xué)干涉法測量增量環(huán)芯法產(chǎn)生的位移變化，描述位移場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測量光學(xué)方法，受到了國內(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，云紋干涉法將在無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。云紋干涉法與有損殘余應(yīng)力測量技術(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，將云紋干涉法結(jié)合其他方法協(xié)同測量殘余應(yīng)力這一研究領(lǐng)域未來還有很大的研究空間。