ATQ 005 殘余應力檢測技術

本書系中關村材料試驗技術聯(lián)盟（CSTM）合格評定試驗人員能力專業(yè)委員會與全國分析檢測人員能力培訓委員會（NTC）聯(lián)合組編的“CSTM/NTC專業(yè)試驗與通用基礎技術能力系列培訓教材”之一。
本書依據(jù)CSTM合格評定試驗人員能力專業(yè)委員會與NTC的《ATQ 005殘余應力檢測技術考核與培訓大綱》編寫，包括殘余應力檢測的相關基礎知識、殘余應力的有損檢測和殘余應力的無損檢測三部分內容，介紹了鉆孔應變法、全釋放應變法、逐層剝離法、輪廓法、裂紋柔度法、深孔法、壓痕應變法、X射線衍射法、中子衍射法、超聲法、磁測法等11種常用殘余應力檢測技術。
本書涵蓋了從事殘余應力檢測工作的試驗人員需要掌握的理論、儀器和應用的通用基礎與專業(yè)試驗知識，并附有思考題，可作為培訓殘余應力檢測人員的教材，也可作為高校和科研院所的相關科研、教學人員及分析檢測機構技術人員的參考用書。

范弘，教授級高工，享受國務院政府特殊津貼專家。曾任鋼鐵研究總院測試所無損檢測室主任、國家冶金工業(yè)鋼材無損檢測中心主任，鋼研納克檢測技術有限公司無損檢測事業(yè)部總經理，中國金屬學會分析測試分會委員、無損檢測專業(yè)委員會主任委員，冶金無損檢測人員資格鑒定與認證委員會秘書長，中國機械工程學會無損檢測分會常務委員，中國聲學學會檢測聲學分會委員，《物理測試》和《無損檢測》編委?，F(xiàn)退休返聘，擔任中關村材料試驗技術聯(lián)盟（CSTM）秘書長，中國金屬學會無損檢測分會副主任委員。主持承擔國家重大科研課題11項；獲國家專利20余項；獲省部級科學技術獎一等獎1次、二等獎1次、三等獎3次（均為第1獲獎人）；主持制、修訂國家和行業(yè)標準19個、團體標準8個；著有《金屬材料的渦流檢測》和《鐵磁金屬材料的漏磁檢測》以及學術論文30余篇。從1992年起參加過大量金屬相關領域、行業(yè)的檢測技術中高 級人員的培訓教學。

1.《ATQ005 殘余應力檢測技術》是國內首部全面、系統(tǒng)介紹殘余應力檢測技術的培訓教材。 2.《ATQ005 殘余應力檢測技術》以標準規(guī)定的方法為導向，講述殘余應力檢測在各個工業(yè)領域的應用。 3.《ATQ005 殘余應力檢測技術》全方位闡述殘余應力檢測的基礎知識、概念和理論。目前同類書籍未見有相同的系統(tǒng)論述。 4.《ATQ005 殘余應力檢測技術》介紹了11種常用殘余應力檢測技術，均按照“基礎知識”“檢測方法和檢測設備”“數(shù)據(jù)處理”和“標準與應用”四個模塊闡述，形成對所述技術全視角覆蓋。 5.《ATQ005 殘余應力檢測技術》參編人員均為該領域參加過培訓教學的專家和教師，其中相當一部分作者主持制定或參與制定過殘余應力檢測的國家標準，書中凝結了他們的經驗，兼具權威性與實用性。

近二三十年以來，隨著工程和材料科學應用需求的快速增長、微電子與計算機技術的進步和普及，殘余應力檢測技術取得了突破性的進展，新的檢測方法不斷出現(xiàn)，測試儀器水平持續(xù)提升，實驗程序步驟愈加規(guī)范，測量數(shù)據(jù)精度大大提高，發(fā)展至今已形成二十多種較為完善的分析檢測方法。目前，殘余應力檢測已成為工程結構設計、工藝效果改善、產品質量檢驗和設備安全分析中不可缺少的重要手段。殘余應力檢測也從隸屬于物理測試的一個學科分支，發(fā)展成為一個專門的檢測技術領域。伴隨著應用日益廣泛，從事殘余應力分析檢測的人員也越來越多。使分析檢測從業(yè)人員（特別是新人）全面、系統(tǒng)地了解檢測原理和檢測特點，熟練、規(guī)范地掌握檢測方法和檢測設備，完整、準確地運用檢測標準和檢測規(guī)則，已是殘余應力檢測工作中面臨的一項重要任務內容。
本書是在中關村材料試驗技術聯(lián)盟（CSTM）合格評定試驗人員能力專業(yè)委員會和全國分析檢測人員能力培訓委員會（NTC）統(tǒng)一規(guī)劃下，按照《ATQ 005 殘余應力檢測技術考核與培訓大綱》的要求，面向殘余應力分析檢測人員編寫的一部專用培訓教材，同時也可供其他相關領域的分析檢測人員以及大專院校相關專業(yè)的學生參考。
本教材共分三大部分14章。第一部分是公共基礎知識部分，含3章內容，分別介紹了金屬材料有關理論以及應力和殘余應力基本概念，殘余應力檢測方法、分類、特點和結果不確定度評定，以及殘余應力調控方法，旨在使讀者對殘余應力檢測技術獲得概貌了解。第二部分和第三部分按殘余應力的有損檢測和無損檢測分成兩類，分別介紹了11種常用殘余應力檢測技術，共11章，每章都按照以檢測原理和應用特點為內容的“基礎知識”、以檢測工藝和主要工具為對象的“方法和設備”、以應力計算和結果分析為主線的“數(shù)據(jù)處理”、以規(guī)范檢測和掌控實操為目標的“標準和應用”四個模塊方式介紹一種殘余應力檢測技術。
本教材由來自CSTM、東莞材料基因高等理工研究院、中國科學院金屬物理所、山東大學、石家莊鐵道大學、山東建筑大學、山東農業(yè)大學、中鋁材料應用研究院、武漢理工大學的16位專家學者組成編委會，共同合作撰寫完成，各位編著者分別承擔的工作如下：全書由范弘統(tǒng)稿主編；第1章中1.1由饒德林、1.2由馬艷玲、1.3由李榮鋒編寫；第2章中2.1由沈克、2.2由牛關梅和李榮鋒、2.3由范弘、2.4由沈克、2.5由饒德林和陳靜、2.6由馬艷玲編寫；第3章由馬艷玲編寫；第4章由李榮鋒編寫；第5章、第9章和第10章由陳靜編寫；第6章由吳桂毅編寫；第7章由張瑞堯編寫；第8章由路來驍、周長安和孫杰編寫；第11章由莫家豪、張瑞堯和汪選國編寫；第12章由高建波編寫；第13章由宋文濤編寫；第14章由范弘編寫。
在本教材編寫中，參考了大量國內外公開發(fā)表的與殘余應力檢測有關的資料，包括著作、文章、論文、標準和手冊等，在此謹向參考文獻的原作者表示感謝。在編寫過程中，編委會根據(jù)各行業(yè)殘余應力分析檢測人員培訓的特點，兼顧各類知識層次人員的需求，力求通俗、實用，并盡量與國際、國內殘余應力檢測標準要求相一致。在系統(tǒng)地介紹殘余應力檢測必要知識的同時，盡可能多地反映近年來科研和儀器制造方面的新成果。但由于應力檢測技術涉及的應用領域越來越廣，測試儀器的類型、功能和性能不斷發(fā)展變化，以及受編著者學識和能力所限，書中難免有疏漏和不足之處，敬請讀者批評指正。
在本教材編寫過程中，王海舟院士給予了悉心、具體的指導，NTC秘書處佟艷春主任精心、周密組織，還有許多同志為本書付出了辛勤的勞動，在此一并致以深深的謝意。

《ATQ 005 殘余應力檢測技術》編委會
2024年3月

第一部分殘余應力檢測相關知識
第1章殘余應力相關基礎知識2
1.1金屬材料的晶體結構2
1.1.1典型金屬晶體結構2
1.1.2金屬的實際晶體結構7
1.1.3位錯及位錯運動10
1.2金屬材料的力學性能及彈性力學理論12
1.2.1基本概念13
1.2.2應力狀態(tài)表征16
1.2.3應力應變關系18
1.2.4應力變換20
1.2.5應變變換21
1.2.6彈性力學基本方程*25
1.3殘余應力的基本概念28
1.3.1殘余應力的定義28
1.3.2殘余應力的產生28
1.3.3殘余應力的種類31
1.3.4殘余應力的影響40
思考題46
參考文獻47

第2章殘余應力檢測技術概述48
2.1殘余應力檢測的基本概念48
2.2殘余應力檢測的主要方法和分類49
2.2.1殘余應力主要檢測方法49
2.2.2殘余應力檢測方法的分類51
2.3殘余應力檢測的特點與局限性53
2.3.1殘余應力檢測的特點53
2.3.2殘余應力檢測的局限性54
2.4殘余應力檢測方法的選擇55
2.4.1概述55
2.4.2適用對象的比較55
2.4.3檢測范圍的比較56
2.4.4檢測精度的比較57
2.4.5檢測特點的比較57
2.5殘余應力應變檢測法的主要設備58
2.5.1應變計59
2.5.2應變測量儀62
2.6殘余應力檢測結果不確定度的評定方法65
2.6.1評定檢測結果不確定度的意義65
2.6.2評定檢測結果不確定度的基本概念65
2.6.3評定檢測結果不確定度的通用步驟66
2.6.4殘余應力檢測結果不確定度評定實例67
思考題69
參考文獻70

第3章殘余應力調控技術概述71
3.1殘余應力調控的基本概念71
3.2內膛擠壓法72
3.2.1內膛擠壓法的原理72
3.2.2內膛擠壓法的處理工藝72
3.2.3內膛擠壓法的種類73
3.2.4內膛擠壓法的處理效果74
3.3振動時效法74
3.3.1振動時效法原理和設備74
3.3.2振動時效參數(shù)選擇75
3.3.3振動時效操作程序76
3.3.4振動時效效果評定76
3.3.5振動時效法的特點77
3.3.6振動時效法的應用77
3.4拋噴丸法79
3.4.1拋噴丸法的原理79
3.4.2拋噴丸法的種類及特點79
3.4.3拋噴丸法的工藝參數(shù)79
3.4.4拋噴丸法的處理效果80
3.5熱處理法80
3.5.1熱處理基礎知識80
3.5.2熱應力與組織應力的概念81
3.5.3消除殘余應力的熱處理方法82
3.5.4引入殘余壓應力的熱處理方法83
3.6爆炸法83
3.6.1爆炸法的原理83
3.6.2爆炸法的工藝84
3.6.3爆炸處理效果的評價85
3.6.4爆炸法的特點85
3.6.5爆炸法對材料性能的影響85
3.7設計與工藝補償法*86
3.7.1設計與工藝補償法概述86
3.7.2設計與工藝補償法的應用86
3.7.3設計與工藝補償法的特點91
思考題91
參考文獻92


第二部分殘余應力有損檢測技術
第4章殘余應力的鉆孔應變法檢測技術94
4.1鉆孔應變法基礎知識94
4.1.1鉆孔應變法的發(fā)展簡史94
4.1.2鉆孔應變法的基本原理95
4.1.3鉆孔應變法的特點98
4.2鉆孔應變法的檢測方法和檢測設備99
4.2.1鉆孔應變法的檢測方法99
4.2.2鉆孔應變法的檢測設備103
4.3鉆孔應變法的數(shù)據(jù)處理104
4.3.1殘余應力的計算104
4.3.2檢測結果的主要影響因素109
4.3.3檢測結果的不確定度分析*110
4.4鉆孔應變法的標準與應用112
4.4.1鉆孔應變法的檢測標準112
4.4.2鉆孔應變法的典型應用115
思考題120
參考文獻120

第5章殘余應力的全釋放應變法檢測技術122
5.1全釋放應變法基礎知識122
5.1.1全釋放應變法的發(fā)展簡史122
5.1.2全釋放應變法的基本原理122
5.1.3全釋放應變法的特點125
5.2全釋放應變法的檢測方法和主要設備126
5.2.1全釋放應變法的檢測工藝126
5.2.2全釋放應變法的切割設備129
5.3全釋放應變法的數(shù)據(jù)處理130
5.3.1殘余應力的計算130
5.3.2檢測結果的主要影響因素131
5.3.3檢測結果的不確定度評定*131
5.4全釋放應變法的標準與應用135
5.4.1全釋放應變法的檢測標準135
5.4.2全釋放應變法的典型應用138
思考題143
參考文獻143

第6章殘余應力的逐層剝離法檢測技術144
6.1逐層剝離法基礎知識144
6.1.1逐層剝離法的發(fā)展簡史144
6.1.2逐層剝離法的基本原理145
6.1.3逐層剝離法的特點148
6.2逐層剝離法的檢測方法和檢測設備149
6.2.1逐層剝離法的檢測方法149
6.2.2逐層剝離法的檢測設備151
6.3逐層剝離法的數(shù)據(jù)處理152
6.3.1殘余應力的計算152
6.3.2檢測結果的主要影響因素153
6.4逐層剝離法的應用案例154
思考題159
參考文獻159

第7章殘余應力的輪廓法檢測技術160
7.1輪廓法基礎知識160
7.1.1輪廓法的發(fā)展簡史160
7.1.2輪廓法的基本原理161
7.1.3輪廓法的前提假設161
7.1.4輪廓法的特點162
7.2輪廓法的檢測方法和檢測設備162
7.2.1輪廓法的檢測方法162
7.2.2輪廓法的檢測設備164
7.3輪廓法的數(shù)據(jù)處理166
7.3.1數(shù)據(jù)對齊和數(shù)據(jù)平均166
7.3.2數(shù)據(jù)清洗和平滑處理166
7.3.3有限元建模及殘余應力的計算167
7.3.4測量結果的主要影響因素167
7.3.5誤差分析168
7.4輪廓法的標準與應用169
7.4.1輪廓法的檢測標準169
7.4.2輪廓法的典型應用172
練習題174
參考文獻175

第8章殘余應力的裂紋柔度法檢測技術177
8.1裂紋柔度法基礎知識177
8.1.1裂紋柔度法的發(fā)展簡史177
8.1.2裂紋柔度法的檢測原理和基本假設177
8.1.3裂紋柔度法的特點179
8.2裂紋柔度法的檢測方法和檢測設備180
8.2.1裂紋柔度法的檢測方法180
8.2.2裂紋柔度法的檢測設備183
8.3裂紋柔度法的數(shù)據(jù)處理184
8.3.1柔度函數(shù)的計算184
8.3.2檢測結果的主要影響因素185
8.3.3檢測結果的不確定度評定*186
8.4裂紋柔度法的典型應用187
練習題191
參考文獻192

第9章殘余應力的深孔法檢測技術193
9.1深孔法基礎知識193
9.1.1深孔法的發(fā)展簡史193
9.1.2深孔法的基本原理194
9.1.3深孔法的特點197
9.2深孔法的檢測方法與檢測設備197
9.2.1深孔法的檢測工藝197
9.2.2深孔法的主要設備201
9.3深孔法的數(shù)據(jù)處理和應力計算203
9.3.1參考孔內徑測量數(shù)據(jù)的處理203
9.3.2殘余應力的計算204
9.3.3檢測結果的主要影響因素205
9.4深孔法的典型應用208
思考題212
參考文獻212

第10章殘余應力的壓痕應變法檢測技術214
10.1壓痕應變法基礎知識214
10.1.1壓痕應變法的發(fā)展簡史214
10.1.2壓痕應變法的基本原理215
10.1.3壓痕應變法的特點217
10.2壓痕應變法的檢測方法和檢測設備218
10.2.1壓痕應變法的標定試驗218
10.2.2壓痕應變法的檢測方法220
10.2.3壓痕應變法的檢測設備221
10.3壓痕應變法的數(shù)據(jù)處理224
10.3.1殘余應力的計算224
10.3.2檢測結果的主要影響因素225
10.3.3檢測結果的不確定度評定*227
10.4壓痕應變法的標準與應用231
10.4.1壓痕應變法的檢測標準231
10.4.2壓痕應變法的典型應用233
思考題237
參考文獻237


第三部分殘余應力無損檢測技術
第11章殘余應力的X射線衍射法檢測技術240
11.1X射線衍射法基礎知識240
11.1.1X射線衍射法的發(fā)展簡史240
11.1.2布拉格定律與X射線檢測原理241
11.1.3X射線衍射法的特點244
11.2X射線衍射法的檢測方法和檢測設備245
11.2.1X射線衍射法的主要檢測方法245
11.2.2試樣的選擇和制備250
11.2.3X射線衍射法的檢測工藝步驟251
11.2.4X射線衍射應力測量儀254
11.3X射線衍射法的數(shù)據(jù)處理256
11.3.1數(shù)據(jù)處理與應力計算256
11.3.2檢測結果的主要影響因素258
11.3.3檢測結果的不確定度分析與計算*259
11.4X射線衍射法的標準與應用261
11.4.1X射線衍射法的檢測標準261
11.4.2X射線衍射法的典型應用267
練習題268
參考文獻269

第12章殘余應力的中子衍射法檢測技術271
12.1中子衍射法基礎知識271
12.1.1中子衍射法的發(fā)展簡史271
12.1.2中子衍射法的基本原理272
12.1.3中子衍射法的特點273
12.2中子衍射法的檢測方法和檢測設備274
12.2.1中子衍射法的檢測方法274
12.2.2中子衍射法的檢測設備279
12.3中子衍射法的數(shù)據(jù)處理281
12.3.1衍射數(shù)據(jù)分析281
12.3.2應力計算283
12.3.3檢測結果的主要影響因素284
12.3.4檢測結果的不確定度評定*285
12.3.5報告結果287
12.4中子衍射法的標準與應用288
12.4.1中子衍射法的檢測標準288
12.4.2中子衍射法的典型應用290
思考題293
參考文獻294

第13章殘余應力的超聲法檢測技術295
13.1超聲法基礎知識295
13.1.1超聲法的發(fā)展簡史295
13.1.2超聲法的檢測原理296
13.1.3超聲法的種類301
13.1.4超聲法的應用特點302
13.2超聲法的檢測方法和檢測設備303
13.2.1超聲法的標定試驗303
13.2.2超聲法的檢測工藝306
13.2.3超聲法的檢測設備308
13.3超聲法的數(shù)據(jù)處理312
13.3.1殘余應力的計算312
13.3.2檢測結果的主要影響因素313
13.3.3檢測結果的不確定度分析*314
13.4超聲法的標準與應用315
13.4.1超聲法的檢測標準315
13.4.2超聲法的典型應用316
練習題319
參考文獻320

第14章殘余應力的磁測法檢測技術321
14.1磁測法基礎知識321
14.1.1磁測法的種類和發(fā)展簡史321
14.1.2磁測法的檢測原理323
14.1.3磁測法的應用特點329
14.2磁測法的檢測方法和檢測設備330
14.2.1磁測法的標定試驗330
14.2.2磁測法的檢測工藝333
14.2.3磁測法的檢測設備334
14.3磁測法的數(shù)據(jù)處理335
14.3.1殘余應力的計算335
14.3.2檢測結果的主要影響因素336
14.4磁測法的標準與應用337
14.4.1磁測法的檢測標準337
14.4.2磁測法的典型應用340
練習題343
參考文獻344


思考題和練習題參考答案346