残余应力

残余应力（Residual Stress）是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。残余应力来源于机械加工、焊接、铸造、锻造、热处理、3D打印、喷涂、装配等工艺，因不均匀塑性变形或相变都有可能产生残余应力。

背景资料

残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂；或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除；有时也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

测试方法

1.破坏性测试（最准、最常用）

（1）盲孔法（钻孔法）

测试原理：在表面贴应变片→钻小孔→释放局部应力→由应变反算应力。

测试标准：ASTM E837、GB/T 31310

特点：精度高、设备便宜、现场可用；微损伤，不算完全破坏

适用：焊接件、钢结构、铸件、机械零件

（2）切条法/分段削切法

测试原理：逐层切削，释放应力，测变形反推应力分布。

适用：厚大件、残余应力梯度大的工件。

（3）轮廓法（Contour Method）

测试原理：线切割切开工件，测量断面变形，反演二维应力分布。

适用：厚板、锻件、焊接件，精度很高。

2.半无损/微损测试

（1）X射线衍射法（XRD）

测试原理：利用晶面间距随应力变化，测衍射峰偏移。

特点：真正表面无损；只测表面几微米到几十微米；对晶粒、粗糙度敏感

适用：表面强化件（喷丸、渗碳、淬火）、精密零件

（2）中子衍射法

测试原理：基于布拉格方程获取晶面间距并结合弹性力学计算残余应力，包括基于反应堆中子源和基于散裂中子源两种类型。

特点：穿透力极强，可测内部三维应力；设备昂贵，只能在核研究机构做

适用：科研、航空航天、核电

3.完全无损测试（非接触、无损伤）

（1）超声法（Acoustic/Ultrasonic）

测试原理：利用声双折射、声时延变化测应力

特点：无损、快速、可测内部

适用：精度一般，多用于趋势判断、批量筛查

（2）磁应力法（巴克豪森噪声法）

特点：快速、便携、无损

适用：只适用铁磁材料（钢、铁）的焊接、热处理件应力水平定性/半定量

（3）数字图像相关法（DIC）

配合钻孔/削切，拍照测表面位移场

特点：高精度、可视化全场应力

适用：科研与高端检测常用

测试方法对比

● 盲孔法：通用、便宜、准、微损      →工程首选

● XRD：表面无损、测表层应力         →喷丸/热处理件

● 中子衍射：测内部、最贵、极少用    →科研/航空

● 超声/磁法：无损、快、精度一般     →现场筛查

● 轮廓法/切条法：测厚件内部应力分布 →重型构件

测试方法推荐

● 焊接件、钢结构、一般机械件→盲孔法（最实用）

● 表面淬火、喷丸、渗碳→XRD

● 大件厚板、锻件、内部应力分布→轮廓/切条法

● 现场快速筛查、不允许破坏→磁应力法/超声法

常用残余应力测试标准

1.盲孔/钻孔应变法（工程首选）

GB/T 31310-2014 金属材料 残余应力测定 钻孔应变法（现行）

ASTM E837-2013a Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method（国际通用）

CB/T 3395-2013 残余应力测试方法 钻孔应变释放法（船舶行业）

SL 499-2010 钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法（水利行业）

2.X射线衍射法（表面无损）

GB/T 7704-2017 无损检测 X射线应力测定方法（现行）

GB/T 45597-2025 金属材料 残余应力测定 短波长X射线衍射法

SL 547 水工金属结构残余应力测试方法 X射线衍射法（水利）

3.中子衍射法（内部三维应力）

  GB/T 26140-2023 无损检测 残余应力测量的中子衍射方法（现行）

ISO 21432:2019 Non-destructive testing — Standard test method for determining residual stresses by neutron diffraction（国际）

4.超声法（无损、内部）

GB/T 32073.1-2020 无损检测 测量残余应力的超声检测方法 第1部分:临界折射纵波法

‌GB/T 32073.2-2025 ‌无损检测 测量残余应力的超声检测方法 第2部分：体波法

5.磁/电磁法（铁磁材料、快速）

GB/T 33210-2025 无损检测 基于逆磁致伸缩效应的残余应力检测方法（现行）

6.压痕应变法（微损、便携）

GB/T 24179-2023 金属材料 残余应力测定 压痕应变法（2024-03实施）

7.切条/轮廓/切割法（厚件、内部分布）

YS/T 1578-2022 铜及铜合金无缝管 残余应力测试方法 切割法（有色行业）

轮廓法：ASTM E2769（国际）、国内暂无国标，多按科研/企业规范