陈恒等：残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响 931· 选择性地忽略了材料内部多相或多晶微观结构的存 不存在明显的对应关系，但是总残余应力值可以通 在.并且，同一材料内部不同类型的残余应力值并 过不同类型的残余应力值的叠加得到，如图1所示. 12 -120 20 -200 图16%拉伸变形试样沿直径p的残余应力分布.(a)试样内部总残余应力：(b)试样内部第I类残余应力：(c)试样内部第Ⅱ类残余应 力32 Fig.1 Distribution of longitudinal residual stress along the diameter o of a 6%tensile-deformed steel:(a)total residual stresses;(b)Ist-type re- sidual stresses;(c)2nd-type residual stresses[2] 1.2残余应力测量分析技术 的多晶体中，不同晶粒的同族晶面间距随晶向及应 定量研究残余应力对材料腐蚀行为的影响是目 力的大小会发生有规律的变化，致使衍射谱线发 前的学术热点之一，其重要前提是对残余应力大小 生有规律的偏移，根据偏移量的大小即可计算残 及分布情况进行有效的测量.近年来，残余应力的 余应力[3].衍射束的来源有X射线和中子束，由 各种测试理论和方法不断发展和完善，主要测试方 于中子束设备投入大且分辨率较低，所以一般选 法有应力释放法（机械法）、衍射法、电子背散射衍 择X射线. 射(EBSD)、数值模拟等.这些方法先测量应变，再 对于体积和厚度较大的工件，由于X射线穿透 通过杨氏模量或泊松比等参数推导出残余应力值. 深度较小，可以对材料进行剥层处理.但是从对工 一般来说，机械法测得的为宏观残余应力.衍射法 件破坏性的角度来看，X射线衍射法已成为有损检 可以用于测量宏观或者微观的残余应力.除此之 测法[6].而直接将衍射束换为中子束，则可获得较 外，最近几年发展迅速的电子背散射衍射技术以及 大的检测深度.二者均是基于弹性力学理论和布拉 数值模拟方法也可以用于研究材料中残余应力的大 格衍射原理工作，主要区别在于中子的穿透深度比 小和分布. 较大.因此，中子衍射可作一般用于探测大块材料 1.2.1机械法测量残余应力 内部的残余应力分布，而X射线衍射则主要用于薄 机械法需要对工件的局部进行分离或者分割使 膜或材料表面（界面）残余应力的测量[3) 得应力释放而产生相应的位移和应变，通过应变仪 1.2.3电子背散射衍射测量残余应力 测量这些位移和应变，最后通过弹性力学理论进行 电子背散射衍射搭载在扫描电镜(SEM)上使 换算便可以得到工件平均残余应力值[3).最常用 用，因而对材料的弹性以及塑性应变具有较高的敏 的测量方法是钻孔法，其基本原理是在具有残余应 感性，可以用于测量工件的残余应力.利用电子背 力的工件上钻一个小孔，其临近区域由于残余应力 散射衍射技术测量残余应力的一个主要优点在于钻 的释放会产生相应的位移和应变，这些位移和应变 孔法和衍射法等方法主要用于材料毫米级以上宏观 由小孔周围的应变计测量，最后通过相关应力应变 残余应力的测量，而电子背散射衍射技术可以用于 公式的换算并进行误差分析便可以得到钻孔处深度 材料微米级以下微区残余应力（主要是超微观残余 方向上的二维平均残余应力3).如果工件的残余 应力)的测量与表征3] 应力并不均匀，则需要多步钻孔，总应变释放可由前 电子背散射衍射测量材料残余应力的基本原理 面多步钻孔释放应变叠加求得. 为在扫描电镜入射点附近发生非弹性散射的入射电 L.2.2衍射法测量残余应力 子束入射到满足布拉格衍射条件的一定晶面时，便 射线衍射法测量残余应力理论成熟，其测量结 会产生布拉格衍射并出现一些线状花样，这些花样 果准确可靠.其原理是基于弹性力学理论与布拉格 即为电子背散射衍射花样菊池线.而存在残余应 衍射定律，因为对于理想的无残余应力存在的多晶 力的材料，其电子背散射衍射花样菊池线会变得 体，其不同方位的同族晶面间距相等：存在残余应力 模糊不清.对于弹性或者塑性应变，根据电子背散陈 恒等: 残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响 选择性地忽略了材料内部多相或多晶微观结构的存 在. 并且,同一材料内部不同类型的残余应力值并 不存在明显的对应关系,但是总残余应力值可以通 过不同类型的残余应力值的叠加得到,如图 1 所示. 图 1 6% 拉伸变形试样沿直径 渍 的残余应力分布. (a) 试样内部总残余应力;(b) 试样内部第 I 类残余应力;(c) 试样内部第 II 类残余应 力[32] Fig. 1 Distribution of longitudinal residual stress along the diameter 渍 of a 6% tensile鄄deformed steel: (a) total residual stresses; (b) 1st鄄type re鄄 sidual stresses; (c) 2nd鄄type residual stresses [32] 1郾 2 残余应力测量分析技术 定量研究残余应力对材料腐蚀行为的影响是目 前的学术热点之一,其重要前提是对残余应力大小 及分布情况进行有效的测量. 近年来,残余应力的 各种测试理论和方法不断发展和完善,主要测试方 法有应力释放法(机械法)、衍射法、电子背散射衍 射(EBSD)、数值模拟等. 这些方法先测量应变,再 通过杨氏模量或泊松比等参数推导出残余应力值. 一般来说,机械法测得的为宏观残余应力. 衍射法 可以用于测量宏观或者微观的残余应力. 除此之 外,最近几年发展迅速的电子背散射衍射技术以及 数值模拟方法也可以用于研究材料中残余应力的大 小和分布. 1郾 2郾 1 机械法测量残余应力 机械法需要对工件的局部进行分离或者分割使 得应力释放而产生相应的位移和应变,通过应变仪 测量这些位移和应变,最后通过弹性力学理论进行 换算便可以得到工件平均残余应力值[33] . 最常用 的测量方法是钻孔法,其基本原理是在具有残余应 力的工件上钻一个小孔,其临近区域由于残余应力 的释放会产生相应的位移和应变,这些位移和应变 由小孔周围的应变计测量,最后通过相关应力应变 公式的换算并进行误差分析便可以得到钻孔处深度 方向上的二维平均残余应力[34] . 如果工件的残余 应力并不均匀,则需要多步钻孔,总应变释放可由前 面多步钻孔释放应变叠加求得. 1郾 2郾 2 衍射法测量残余应力 射线衍射法测量残余应力理论成熟,其测量结 果准确可靠. 其原理是基于弹性力学理论与布拉格 衍射定律,因为对于理想的无残余应力存在的多晶 体,其不同方位的同族晶面间距相等;存在残余应力 的多晶体中,不同晶粒的同族晶面间距随晶向及应 力的大小会发生有规律的变化,致使衍射谱线发 生有规律的偏移,根据偏移量的大小即可计算残 余应力[35] . 衍射束的来源有 X 射线和中子束,由 于中子束设备投入大且分辨率较低,所以一般选 择 X 射线. 对于体积和厚度较大的工件,由于 X 射线穿透 深度较小,可以对材料进行剥层处理. 但是从对工 件破坏性的角度来看,X 射线衍射法已成为有损检 测法[36] . 而直接将衍射束换为中子束,则可获得较 大的检测深度. 二者均是基于弹性力学理论和布拉 格衍射原理工作,主要区别在于中子的穿透深度比 较大. 因此,中子衍射可作一般用于探测大块材料 内部的残余应力分布,而 X 射线衍射则主要用于薄 膜或材料表面(界面)残余应力的测量[37] . 1郾 2郾 3 电子背散射衍射测量残余应力 电子背散射衍射搭载在扫描电镜( SEM) 上使 用,因而对材料的弹性以及塑性应变具有较高的敏 感性,可以用于测量工件的残余应力. 利用电子背 散射衍射技术测量残余应力的一个主要优点在于钻 孔法和衍射法等方法主要用于材料毫米级以上宏观 残余应力的测量,而电子背散射衍射技术可以用于 材料微米级以下微区残余应力(主要是超微观残余 应力)的测量与表征[38] . 电子背散射衍射测量材料残余应力的基本原理 为在扫描电镜入射点附近发生非弹性散射的入射电 子束入射到满足布拉格衍射条件的一定晶面时,便 会产生布拉格衍射并出现一些线状花样,这些花样 即为电子背散射衍射花样菊池线. 而存在残余应 力的材料,其电子背散射衍射花样菊池线会变得 模糊不清. 对于弹性或者塑性应变,根据电子背散 ·931·