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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(zhì)和微生物的影響。當(dāng)金屬材料在特定的腐蝕環(huán)境下，持續(xù)存在拉應(yīng)力的作用時，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕開裂，即為應(yīng)力腐蝕。通常認(rèn)為具有腐蝕敏感性的材料、特定腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的3個基本條件。一般來說，影響應(yīng)力腐蝕發(fā)生的因素有：應(yīng)力的大小、金屬材料的成分與組織、特定環(huán)境下腐蝕介質(zhì)的種類及濃度、溫度等。當(dāng)金屬零部件的工況中沒有拉應(yīng)力存在時腐蝕裂紋發(fā)展很慢，并且在材料壽命期內(nèi)不會發(fā)生開裂；但是有一定的拉應(yīng)力存在，并且達(dá)到一定的水平后，金屬零部件就會發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂，并且這種開裂是預(yù)先毫無征兆的、是脆性的，因此更容易導(dǎo)致災(zāi)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(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。因此，對船舶關(guān)鍵部位的零部件進(jìn)行應(yīng)力大小測量和應(yīng)力性質(zhì)判定可以在一定程度上預(yù)防應(yīng)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(shù)據(jù)支持。

船舶系統(tǒng)的應(yīng)力腐蝕失效多發(fā)生在設(shè)備交付使用后，因此要求船舶系統(tǒng)零部件的應(yīng)力測試是盡量無損的。其次，因為船舶系統(tǒng)中發(fā)生應(yīng)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(yīng)力測試設(shè)備應(yīng)具有輕便性。同時，應(yīng)力腐蝕失效部位往往也存在較多的腐蝕產(chǎn)物，由腐蝕產(chǎn)物構(gòu)成的不導(dǎo)電層對應(yīng)力的測試也有一定程度的影響。

常見的應(yīng)力測試方法

應(yīng)力的存在與應(yīng)力集中是導(dǎo)致船舶零部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕的必要因素。研究船舶系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布及應(yīng)力性質(zhì)可以在一定程度上對應(yīng)力腐蝕的發(fā)生起到預(yù)防作用。對于有益的應(yīng)力分布，可以進(jìn)行利用以提高零部件的力學(xué)性能；對于無益的應(yīng)力分布，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砑右孕拚?。因此，在船舶系統(tǒng)零部件中，對應(yīng)力的分布情況及應(yīng)力的性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究，具有較大的工程應(yīng)用價值，而應(yīng)力測試則是實現(xiàn)該研究的必要手段。常用的應(yīng)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(shù)字圖像相關(guān)法。

1 機械法

機械法是通過機械打孔的手段對零部件進(jìn)行應(yīng)力測試，機械法中測試應(yīng)力的常用方法是鉆孔法。

鉆孔法由德國人MATHER在1934年Z先提出，并在1950年由SCETE發(fā)展完善，使其在工程應(yīng)用中具有了較大的價值。經(jīng)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(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E837—2008 Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Hole-drilling Strain-gauge Method。ASTM E837—2008內(nèi)容合理、細(xì)致，具有可操作性，其將應(yīng)力分為均布應(yīng)力和非均布應(yīng)力測試，將工件分為薄工件和厚工件進(jìn)行測試。國內(nèi)修訂版的CB/T 3395—2013«殘余應(yīng)力測試方法鉆孔應(yīng)變釋放法»和GB/T 31310—2014«金屬材料殘余應(yīng)力測定鉆孔應(yīng)變法»均采用了ASTM E837—2008的部分內(nèi)容，并且結(jié)合了國內(nèi)設(shè)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(jìn)行鉆孔從而使其應(yīng)力得到釋放，依據(jù)預(yù)先貼好的應(yīng)變片來測量鉆孔前后的應(yīng)變情況，運用相應(yīng)的力學(xué)公式計算出對應(yīng)的主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向，從而確定出該位置的應(yīng)力大小和應(yīng)力性質(zhì)。鉆孔法具有測試精度較高、設(shè)備簡單、易于現(xiàn)場操作、應(yīng)力測試深度較深(1.5~2.0mm)、對零部件損傷程度小等特點，國內(nèi)各船廠的焊接殘余應(yīng)力大多采用鉆孔法進(jìn)行測試。但對于工程應(yīng)用中的零部件，應(yīng)盡量不采用鉆孔法進(jìn)行應(yīng)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(yīng)力分布，導(dǎo)致材料力學(xué)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(yīng)力測試。

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(yīng)(即鐵磁性材料在應(yīng)力的作用下其磁化狀態(tài)會發(fā)生變化)來測量應(yīng)力，當(dāng)材料在受力不大時，磁導(dǎo)率的相對變化量與應(yīng)力成正比。磁性法通過測試金屬零部件內(nèi)部的磁場變化情況來反映應(yīng)力變化情況，常見的磁性法有金屬磁記憶法、巴克豪森噪聲法、磁應(yīng)變法、磁聲發(fā)射法等。磁性法與其他應(yīng)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(dá)數(shù)毫米)、攜帶方便等特點，可以在現(xiàn)場對工件進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。但是磁性法的局限性在于其只能應(yīng)用于鐵磁材料，并且對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較敏感。因此，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性易受到影響，且每次測試都需事先標(biāo)定。

有資料指出應(yīng)力與磁導(dǎo)率的關(guān)系在應(yīng)力小于300MPa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(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用較少。

3 超聲波法

超聲波法可以無損地測量工件表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)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(yīng)力引起的聲雙折射現(xiàn)象和1953年美國田納西大學(xué)HUGHE和KELLY提出的聲彈性理論而發(fā)展起來的。超聲波法的基本原理是零部件中的超聲波隨著外界應(yīng)力的分布變化而變化，據(jù)此建立起傳播速度與應(yīng)力大小之間的關(guān)系曲線，從而計算出應(yīng)力的大小與性質(zhì)。超聲波法中常用的是聲速法和頻譜法，聲速法是根據(jù)超聲波的彈性公式建立起的波速與應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，由超聲波速度的變化推算出應(yīng)力的大小與性質(zhì)；頻譜法是根據(jù)傳播速度不同的兩束波發(fā)生干涉效應(yīng)，從而推算出應(yīng)力的大小與性質(zhì)。

超聲波法測試應(yīng)力目前多采用GB/T 32073—2015«無損檢測殘余應(yīng)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(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力，并且測試的是應(yīng)力傳播方向的平均值，同時超聲波法的設(shè)備輕便，可以實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。但是該方法易受材料狀況(組織、織構(gòu)等)、零部件性質(zhì)、工作環(huán)境等的影響，測試精度較低。因此，在工作環(huán)境復(fù)雜的船舶與海工領(lǐng)域，超聲波法測應(yīng)力的應(yīng)用相對較少。

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等提出并發(fā)展起來的。該方法是基于接觸力學(xué)理論，根據(jù)加載前后的彈性模量的改變情況來推演應(yīng)力的大小與性質(zhì)。

采用壓痕法來測試應(yīng)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(yīng)變片，應(yīng)變片中柵的方向與金屬零部件主應(yīng)力的方向盡量保持一致，在應(yīng)變片的交點中心位置沖擊出一個納米級別的壓痕，根據(jù)測量納米壓痕沖擊前后的應(yīng)變情況和預(yù)先計算的常數(shù)，按照胡克定律即可計算出特定方向上的應(yīng)力大小與性質(zhì)。國內(nèi)已經(jīng)制訂了壓痕應(yīng)變法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24179—2009«金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法»，表明該方法已可以在工程應(yīng)用中進(jìn)行規(guī)范化的操作。

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

5 X射線衍射法

X射線衍射法Z早由前蘇聯(lián)學(xué)者AKCEHOB在1929年研究提出，而后在1961年德國學(xué)者M(jìn)ACHERAUCH提出了X射線衍射法，至此X射線衍射法才引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注與深入研究。

在標(biāo)準(zhǔn)化測試表征方面，歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(CEN)于2008年批準(zhǔn)了新的X 射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)EN 15305：2008 Non-destructive Testing Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction。同年，中國也頒布了GB/T 7704—2008«無損檢測X射線應(yīng)力測定方法»，并且經(jīng)過不斷地更新，目前已經(jīng)頒布了GB/T 7704—2017«無損檢測X射線應(yīng)力測定方法»。而ASTM也在2010年發(fā)布了X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)ASTM E915—2010 Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement。

X射線衍射法的基本原理是X射線入射到物質(zhì)表面時會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)材料晶面間距的變化情況來反映零部件的應(yīng)變情況，再通過彈性力學(xué)定律由應(yīng)變計算出應(yīng)力值。X射線衍射法是一種無損測定金屬零部件表面應(yīng)力的方法。X射線應(yīng)力測定的基本原理可以表述為：當(dāng)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(yīng)該滿足布拉格定律。當(dāng)應(yīng)力變化時就會引起晶體內(nèi)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(jù)衍射角2θ的變化即可利用彈性力學(xué)相關(guān)方程求出材料某一方向的應(yīng)力大小和性質(zhì)。

應(yīng)力的測試方法中以X射線衍射法的應(yīng)用較為普遍，因為其理論推導(dǎo)嚴(yán)格成熟，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并且在測量表面殘余應(yīng)力時該方法完全是無損的。X射線衍射法可以測量應(yīng)力沿層深的分布，測試光斑一般為?(1~5)mm，所測深度根據(jù)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(dāng)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(shè)時(如織構(gòu)材料、粗晶材料等)，測試結(jié)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(yīng)力梯度、衍射峰重疊、衍射強度很低、衍射峰過分寬化等現(xiàn)象時，也會降低X射線衍射法測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，X射線衍射法對于無織構(gòu)、近似均勻連續(xù)的金屬零部件的應(yīng)力測試結(jié)果準(zhǔn)確，而對其他零部件的應(yīng)力測試效果相對較差。

6 數(shù)字圖像相關(guān)法

數(shù)字圖像相關(guān)(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(nèi)部位移場與應(yīng)變場的變化情況，DIC法是一種非接觸的、無損的應(yīng)變測量方法，在復(fù)雜載荷、高濕、高溫等復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)變測試方面具有很大的優(yōu)勢。DIC法Z早可以追溯到1982年由YAMAGUCHI和PETERS提出的測量變形物體表面位移和應(yīng)變信息的非接觸式光學(xué)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(jìn)行對比和處理，關(guān)聯(lián)相機的各像素點狀態(tài)變化前后的灰度值改變。利用數(shù)學(xué)圖像處理技術(shù)得到各個預(yù)設(shè)子區(qū)的變化信息。DIC法的技術(shù)基礎(chǔ)是基于計算機對圖像的處理和數(shù)值的計算，根據(jù)光通量守恒原理，選擇相關(guān)性Z高的對應(yīng)位置作為變形后的子區(qū)，從而得到高精度的應(yīng)變信息。因此，在數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)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(jìn)行系統(tǒng)研究來提高辨識的準(zhǔn)確率。對于本身就具有清晰紋理的零部件就無需進(jìn)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(jìn)行測試。

三維的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)Z早是在1993年由LUO等人提出的，其基本的構(gòu)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(jìn)行標(biāo)定和記錄，進(jìn)而得到零部件表面的三維形貌特征和應(yīng)變信息。該方法的測試系統(tǒng)采用主體拍攝技術(shù)，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(jù)每個相機的成像參數(shù)(內(nèi)部參數(shù))和相機間的相互位置(外部參數(shù))，則可計算出物體表面每個點的三維坐標(biāo)變化，進(jìn)而計算出物體表面每一點上的應(yīng)變張量，如圖1所示。

DIC法作為一種光學(xué)測量方法，與其他傳統(tǒng)的應(yīng)力測試方法相比，具有較多的優(yōu)點。首先，DIC法進(jìn)行測試時與被測件無接觸，因而可以在眾多的復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)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(yīng)用于多領(lǐng)域多種材料的應(yīng)力性能測試中，但在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)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(lǐng)域，DIC法可以實現(xiàn)眾多工況下的應(yīng)力測試與評價，是Z有應(yīng)用前景的應(yīng)力測試方法。

結(jié)束語

在船舶與海工領(lǐng)域，應(yīng)力大小的測試和應(yīng)力性質(zhì)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(shù)支持。特別是DIC法具有非接觸、無損、應(yīng)用范圍廣、設(shè)備便攜等特點，已成為船舶系統(tǒng)零部件應(yīng)力測試與評價的Z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(jìn)行深入研究與試驗驗證。

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