铝合金残余应力涡流检测的发展现状与展望

汪涛 曾志伟

（厦门大学航空系，福建厦门 361005）

铝合金残余应力涡流检测的发展现状与展望

汪涛 曾志伟

（厦门大学航空系，福建厦门 361005）

铝合金残余应力的检测关系到铝合金结构的健康安全，具有重要意义。传统的残余应力检测法如盲孔法、X射线法、超声波法、磁测法等在使用时都有一定的局限性。近年来，有学者根据金属电导率与应力之间的变化关系提出用涡流检测的方法来检测残余应力。本文介绍铝合金残余应力涡流检测的研究现状，并就这一研究的发展方向提出一些看法。

铝合金 残余应力 涡流检测

铝合金作为制造业发展的基础材料，在航空航天、高速铁路、建筑工程、船舶制造、汽车工业等支柱产业中有着重要地位。残余应力往往是造成铝合金结构破坏的重要因素。在应力集中区域更加容易出现裂纹以及应力腐蚀等早期损伤。因此，有效的评价应力状况，特别是导致损伤出现的临界应力状况是评价设备结构强度、可靠性的重要依据［1］。传统的无损检测方法已广泛应用于工业中，但传统方法局限于对已成型的缺陷进行检测。对于在役金属设备的早期损伤，特别是尚未成型的隐形应力状态难以进行有效的检测。

目前应用较多的残余应力检测法主要有盲孔法、X射线法、超声波法以及磁测法。盲孔法实际上是一种破坏性检测法，很多情况下不为人们所接受。X射线法受材料晶粒度的影响较大，仅能测量表面宏观或微观残余应力，检测设备昂贵，仅适合于实验室使用。超声波法比X射线法的检测深度深，但必须使用耦合剂，难以检测形状复杂的构件。磁测法是以巴克豪森效应为基础的残余应力检测法，可用于快速检测材料内部残余应力，但仅局限于磁性材料。

材料的压阻效应使得用涡流检测的方法检测残余应力成为可能。基于这种应力与材料电导率之间的相关性提出的残余应力涡流检测方法已成为无损检测领域的一个研究热点。

1 电导率与应力之间的相关性

电导率与应力之间相关性的研究源于材料的压阻应变效应。压阻应变效应是指电阻丝在外力的作用下发生变形时，其电阻值发生变化的现象。单向应力作用下，各向同性金属材料的电导率与加载弹性应力之间的关系可表示为：

式中 σ0表示无应力状态下各向同性金属材料的电导率； Δσx，Δσy，Δσz表示笛卡尔坐标系下 x、 y、 z方向的电导率改变量；τij表示电阻丝材料的压阻系数，包括纵向压阻因子τ11和横向压阻因子τ12； ωj（j =x，y，z）为拉应力，对于作用于z方向的单向拉伸， ωz≠0，ωx=ωy=0。由此即可得到电导率变化与弹性应力变化之间的关系［2］。

铝合金在应力作用下呈电各向异性。单向拉伸的情况相对比较简单，可以认为电导率的改变主要集中在拉伸方向以及与拉伸方向垂直的方向上。然而，实际检测中，应力的分布状况比较复杂，主应力方向不再明确，需要根据待测试件应力状况重新推导电导率张量矩阵，以确定主应力大小及方向。

2 研究现状

由于压阻应变效应，铝合金在应力的作用下呈电各向异性。因此，理论上可以由涡流检测的方法进行应力大小及方向的检测。而相比其他检测技术，涡流检测具有成本低、设备简单、操作方便等优点，因此残余应力涡流检测的研究具有重要意义。

P.B.Nagy领导的团队从2004年开始发表使用涡流检测方法评估残余应力的论文。2004年他们采用电磁涡流的方法对喷丸处理的镍合金近表面残余应力进行检测。他们发现，涡流“视电导率”随着检测频率增加而增加，因此能够用来检测亚表面残余应力［4］。同年，他们采用解析法对喷丸金属表面的残余应力进行计算，以电导率谱为框架计算应力分布。结果表明，解析反演法可以定量的评估亚表面的残余应力［5］。2005年他们使用拉伸应力的实验验证了材料的压阻效应，并通过动态和静态加载应力的方式对热弹性效应引起的电导率变化进行修正，得出铝合金及其他合金的电导率与应力变化的系数关系［6］。2006年，他们采用一种迭代反演的方法来计算近表面残余应力分布，该方法具有很好的收敛性。他们还探讨了近表面残余应力分布引起亚表面电导率变化的三个特征：一是残余压应力分布在深度比普通探头线圈直径小得多的浅表面区域；二是残余应力引起的电导率变化量非常小，不到1%；三是以电导率谱为框架反演得到的应力分布更加连续和平滑。该方法的精度比文献［5］的精度更高［7］。2007年，他们报道了一个新的高频涡流电导率测量系统，可以将检测频率提高到50MHz，这远超商业上一般使用的10MHz的范围。该系统的重复性、精确性、测量速度都比以前的更高［8］。2010年他们在实验中发现，对一些热门的镍基高温合金进行残余应力检测时出现问题，有些硬度较高的合金没法通过电磁涡流法进行应力检测，于是开展硬度和电导率关系的研究。结果表明，对于某些喷涂表面较硬的镍基高温合金，使用电磁涡流方法进行应力检测不太合适［9］。

2001年W.J.Becker等人通过对普通接收线圈及GMR传感器测量残余应力进行对比，得出结果：GMR传感器非常适合电磁涡流法测量残余应力［10］。2012年H.soyama等提出用矩形线圈检测应力各向异性和剪切应力。结果表明，应力各向异性、剪切应力以及喷丸处理的情况都可以通过矩形线圈进行检测，主应力的方向也可以通过这种检测方法确定［11］。

2010年英国Newcastle大学田贵云等采用脉冲涡流检测方法，利用圆柱和矩形探头对飞机结构常用铝合金进行了应力检测研究。由于铝合金中存在一定的残余应力，脉冲涡流信号的峰值与拉伸应力存在一定的非线性关系［12］。同年，他们采用方向性探头对单向拉伸作用下不同拉伸方向及垂直方向上的铝合金电导率变化进行研究。同时，还对前期塑性变形及热处理对电导率的影响进行了评估，得出结论：相对于非硬质合金，硬质合金中电导率对冷作加工的依赖性更加明显［13］。他们还研究了使用脉冲涡流与热成像相结合的方法检测应力。以脉冲信号为激励，在工件中感应出瞬变涡流，对工件加热。应力的存在使材料的导电性能发生变化，从而影响材料的导热性能。因此，可以用热成像的方式来估计工件中的应力大小［14］。

3 展望

国内外关于涡流法检测残余应力的研究都取得了可喜的进步。未来可在如下方面开展进一步的研究。

（1）目前，涡流法检测铝合金残余应力的研究还比较少，但是铝合金残余应力的检测是工业领域不可缺少的一部分。优秀的方法或许能够带来更高的效益，涡流检测具有这样的潜质。因此，需要更多的人参与涡流法检测残余应力的研究，利用现代计算机优势，仿真与实验相结合，提高研究水平。

（2）已有的研究大多都只考虑了单方向的应力变化对电导率的影响。然而，应力引起材料变形，在不同方向产生应变，进而引起材料不同方向上的电导率发生变化。因此，以涡流响应识别应力状态时应该考虑此耦合关系。

（3）涡流检测残余应力不应只考虑单向拉伸，应力均匀分布的情况。因为现实中残余应力的分布是不均匀的。对不均匀应力状态的主应力大小及方向进行识别才能够真正达到检测残余应力避免损伤的目的。

（4）在充分研究的基础上，开发成型的铝合金残余应力涡流检测设备，让这一技术造福工业发展。

［1］M. N. James， D.J. Hughes， Z. Chen， H. Lombard et al. “Residual stresses and fatigue performance，” Eng. Fail. Anal.，vol.14， no. 2，pp.384-395，2007.

［2］周德强，田贵云，王海涛，王平.脉冲涡流技术在应力检测中的应用.仪器仪表学报，2010，31（7）：1588-1593.

［3］刘舜尧，莫江涛，王静文.应力张量在坐标变换下相似性的实验证明.湖南工程学院学报，2005，15（1）：20-24.

［4］M.P.Blodget， P. B. Nagy. “Eddy current assessment of nearsurface residual stress in shot-penned nickel-based super alloys，”J. Nondestruct. Eval.， vol. 23， no. 3， pp. 107-123， 2004.

［5］F. Yu， P. B. Nagy. “Simple analytical approximations for eddy current profiling the near-surface residual stress in shot-penned metals，” J. Appl. Phys.， vol. 96， no. 2， pp. 1257-1266， 2004.

［6］F. Yu， P. B. Nagy. “Dynamic piezoresistivity calibration for eddy current nondestructive residual stress measurement，” J. Nondestruct. Eval.， vol. 24， no.2， pp. 143-151， 2005.

［7］B. A. Abu-Nabah， P. B. Nagy.“Iterative inversion method for eddy current profiling of near-surface residual stress in surface-treated metals，” NDT&E Int.， vol. 39， pp. 641-651，2006.

［8］B. A. Abu-Nabah， P. B. Nagy. “High-frequency eddy current conductivity spectroscopy for residual stress profiling in surface-treated nickel-base superalloys，” NDT&E Int.， vol. 40， pp. 405-418， 2006.

［9］B. A. Abu-Nabah， W. T. Hassan， D. Ryan， M. P. Blodgett et al. “The effect of hardness on eddy current residual stress profiling in shot-peened nickel alloys，” J. Nondestruct. Eval.，vol. 29， pp. 143-153， 2010.

［10］W. Ricken， J. Liu， W. J. Becker.“GMR and eddy current sensor in use of stress measurement，” Sensor. Actua. A-Phys.，vol. 91， pp. 42-45， 2001.

［11］Y. Sekine， H. Soyama.“Evaluation of stress anisotropy and shearing stress using an eddy current method with a tangential-rectangular coil，” J. Solid Mech. Mat. Eng.， vol. 6， no. 2， pp. 201-212， 2012.

［12］M. Morozov， G. Tian， P. J. Withers. “The pulsed eddy current response to applied loading of various aluminum alloys，”NDT&E Int.， vol. 43， no. 6， pp. 493-500， 2010.

［13］M.Morozov， G. Tian，P. J. Withers.“Noncontact evaluation of the dependency of electrical conductivity on stress for various Al alloys as a function of plastic deformation and annealing，”J. Appl. Phys.，vol. 108， no. 024909， pp. 1-9， 2010.

［14］L. Bai， G. Tian. “Stress measurement using pulsed eddy current thermography，” Proc. 51th Annu. Conf. BINDT， 2012.

此项研究为厦门市科技计划（项目编号：3502Z20143007）资助项目。