云纹干涉法测量残余应力的研究现状

邓新，邱长军

（南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421000）

0 引言

大部分零件在加工制造过程中均会产生残余应力[1]。残余应力是指外力或温度场等外作用场完全消失后留在物体内自相平衡的内应力，对构件力学性能有着显著的影响[2]。残余应力测量可以分为非破坏性技术和破坏性技术。非破坏性方法在测量时不需要破坏工件，例如X射线衍射法、中子衍射法、拉曼光谱法和纳米压痕技术等方法。一些最普遍的破坏技术是钻孔法、环芯法、剥层法、轮廓法和裂纹柔度法等。

云纹干涉法是一种重要的光学方法，是过去几十年来用于应力分析的光学方法中最重要的进步之一，具有准确性高、灵敏度高、分辨率高、成本低和标本制备方便等优势。与有损方法相结合，可以准确获得试样残余应力释放后的变形场[3]，在复合材料、生物力学、断裂力学等方面成功应用，是一种非常具有应用前景的光学测量方法。

1 云纹干涉法的基本原理

云纹干涉法原理如图1所示，自单个相干激光源的光被分成两束，以图示的A和B照射样品表面。

图1 云纹干涉法原理图

由精细线条组成的衍射光栅，直接复制或制作在样品表面。光束的衍射产生了一个“虚拟光栅”，给出了由明暗线组成的干涉条纹。笛卡尔坐标系中x和y方向的位移分量可表示为：

式中：f为样品光栅的频率；Nx为u场的等位移条纹级数；Ny为v场的等位移条纹级数。

位移产生的相应应变分量为：

2 云纹干涉法测量材料残余应力的应用

经过几十年的发展，云纹干涉法测量残余应力技术已经取得了很大的进步。因其具有灵敏度高、条纹质量好、可实时观测、全场分析等优点，在材料残余应力测量方面得到广泛的应用。Jiang Yi等[4]利用云纹干涉法测定等离子喷涂，测量了Ni-Cr-B-Si涂层沿试样厚度方向的残余应力分布，实验结果表明：涂层和基体中的残余应力分别为拉应力和压应力；涂层的残余应力随着离涂层表面距离的增加而减小，在涂层-基体界面处几乎为零；基底的最大残余压应力出现在涂层-基底界面附近。Zhang Hongye等[5]采用CSMM( Curved Surface Micro-Moiré)方法对不锈钢管焊缝附近的曲面残余应力进行了实验研究，实验结果表明：环向应力和轴向应力在焊缝中同时存在；轴向应力从424.2 MPa逐渐降低到0 MPa，而周向应力减少为压应力，然后为0。A. Sciammarella等[6]利用相干光反射/投影云纹干涉术测量薄膜的偏转和残余应力。开发了一种新型光学装置，用于测量涂层样品中产生的挠度和残余应力。在硅衬底上沉积ZrN薄膜的情况下，成功地进行了原位测量，测量结果与相关文献报道数据一致，证实该试验方法的可行性。

云纹干涉法在生物力学的变形测量及复杂大型设备的形状效应的校正方面也有应用。Li Fangchi等[7]综述了数字云纹干涉术分析牙本质组织生物力学，通过研究牙齿结构中从10-5～10-3应变范围内的应变分布，发现云纹干涉计术是一种研究各向异性和复杂牙齿结构变形特性的有效方法，具有高灵敏度和精确度。P. M. Alcover等[8]提出一种从周期性简单层的叠加获得云纹干涉图的方法，分析了规则层的超位置如何提供信息，从而能够测量移动、旋转和缩放变化，无论该层是平行的、规则的还是同心的。Pofelski等[9]介绍了一种基于扫描透射电子显微镜云纹干涉测量和几何相位分析的应变表征技术，在特定频率下对晶体周期进行采样，应用采样理论的基础来解释电子显微照片中2D云纹特征的形成。使用STEM云纹GPA（Geometrical Phase Analysis）技术可以确定大型设备上（最大几微米）的2D相对变形图。

2.1 云纹干涉法与钻孔法

云纹干涉法与有损方法相结合时，利用破坏试样释放残余应力的变形场来计算残余应力。利用云纹干涉法与钻孔法结合，云纹干涉法可以在非常接近钻孔边界的位置进行有用的测量，比通过应变仪进行的测量要近得多，在研究材料残余应力领域应用广泛。

云纹干涉法与钻孔法结合测量残余应力的方法首先由McDonach提出。与传统的钻孔方法相比，云纹干涉法结合钻孔法是一种全局测量，具有较好的性能分辨率和允许测量更接近孔边缘，同时采用理论分析和实验相结合的方法。Qin Le等[10]研究了云纹干涉法结合钻孔法测量残余应力时测试区域位置的影响。研究表明，在平面应力状态下，应变测量位置和孔中心之间的距离r与孔的半径a之比（即r/a），在1.2

由于应变仪应变花的使用存在一些实际缺点，为了尽可能减少应变测量的误差，Chen Jubing等[15-16]使用云纹干涉法与钻孔法相结合，在云纹干涉测量中采用沿0°、45°、90°方向分布的光栅应变花，来确定纤维增强复合材料中消除的残余应变。在残余应力随钻孔深度的变化而表现出系统变化的地方，非牛顿力和铝的行为在复合材料中表现得非常明显，并且在相邻层中表现出不一致的应力。Zhang Keming等[17]研制了光栅应变花云纹干涉法和增量钻孔相结合的系统，测定铝板在均匀单轴拉伸载荷作用下的残余应力大小。样品中u(x，y)、v(x，y)和s(x，y)全场分布的实验值与有限元数值解一致。进一步证实了云纹干涉法与钻孔法的可行性。

2.2 云纹干涉法与其它方法

目前基于云纹干涉法与其他方法相结合测量残余应力的报道相对较少，还有待进一步研究。随着光学、数字图像处理、数值方法和计算能力方面的改进，这些技术既促进了测量精度和可靠性的提高，也促进了实际应用范围的扩大。吴立夫等[3]实验研究了基于云纹干涉技术的环芯和切槽残余应力测量方法，发现对于过盈配合试件，该方法与钻孔云纹干涉法的测量结果相同；且云纹干涉环芯法的测量精度比切槽法更高、更易于操作，并能获得面内残余应力的所有分量，具有更为广泛的适用性。

Zhu Jianguo等[18]采用云纹干涉法结合切割松弛法和纳米压痕技术在不锈钢基体上沉积等离子喷涂热障涂层，进行了不同尺度的测量。切割松弛法的条纹图可以在宏观尺度上清楚地说明由残余应力引起的变形，纳米压痕技术可以在微观尺度上评估残余应力的分布。A. Baldi[19]研究了云纹干涉法结合增量环芯法测量残余应力，实验结果表明：光学干涉法测量增量环芯法产生的位移变化，描述位移场的泛函与钻孔分析中使用的泛函完全相同。

3 展望

云纹干涉法作为一种全场测量光学方法，受到了国内外广大研究者的关注。随着不断提高生产率、提高操作安全性、优化制造工艺和尽早发现产品缺陷的工业需求，以及激光、光纤、图像传感器和计算机技术的快速发展，云纹干涉法将在无损检测领域发挥越来越重要的作用。云纹干涉法与有损残余应力测量技术的结合使用可以准确地获得试样释放残余应力后的变形场，将云纹干涉法结合其他方法协同测量残余应力这一研究领域未来还有很大的研究空间。