分层钻孔法：近表面残余应力表征的利器

分层钻孔法：近表面残余应力表征的利器

钻孔法是应用最广泛的残余应力测量方法之一，该方法于1934年由德国学者J.Mather提出，1966年由于应变花的应用，使得钻孔法测量技术的应用更加方便、快捷、高效。
时至今日，已经在航空航天、船舶制造、建筑钢结构、石油管道制造等各行业得到广泛应用。据报道，目前世界唯一一种已服役的舰载第五代战斗机F35在研发过程中，针对大型锻造铝合金构件的残余应力测量，最主要采用的方法就是钻孔法。

钻孔法残余应力测量的标准是《金属材料残余应力测定钻孔应变法》（GB/T 31310—2014）， 目前普遍采用的是标准中的方法B，即所谓的慢速钻孔法，这种方法通常采用手电钻一次钻孔到约2毫米深度，计算该深度范围的平均残余应力，但无法获得在这个深度范围的残余应力分布。

实际上，采用分层钻孔的方法，也就是标准中提到的A：高速钻孔法，可以测量材料的非均匀残余应力分布，但由于该方法对钻孔硬件的要求高，国内相关应用案例及报道很少。大约1毫米深度范围的近表面残余应力的精确分布是诸如机械滚压、喷丸处理等表面工艺特别关注的内容，这个深度范围残余应力的分布有明显的变化。普通的钻孔法（慢速钻孔）和X射线衍射法都很难满足测量要求，前者只能测量平均应力，而后者通常测量的深度较浅。

案例分享

以采用SINT MTS3000系统分层钻孔进行的轮毂表面残余应力场测量实例为例，带你深入了解分层钻孔法残余应力测量技术。

SINT残余应力测量系统主要用于分层钻孔法残余应力测量，包括钻孔仪、应变采集器、电控箱和软件控制系统四个部分，适用于金属、陶瓷、塑料等多种材料。

SINT的钻孔仪采用的是气动涡轮推动的高速铣削打孔方式。由高压空气推动气动涡轮，带动钻头转动，转动速度可达到每分钟40万转。

该系统最主要的特点是分层钻孔技术，即采用步进方式钻孔到确定深度，SINT系统在设置阶段可以将分层打孔的步骤进行预先设定，步进电机可以驱动钻头按设定上下运动。标准的步距通常是50微米，即每钻大约50微米停顿一次（步距可设置），测量三个方向的释放应变（e1，e2，e3），然后继续下一个步距钻孔，大约钻40层可达到2毫米深度。

针对特殊要求，也可以设置非均匀的钻孔步距，最小步距15微米，每次停顿间隙，应变测量仪都会采集应变数据，钻孔结束后，得到一个数据文件，供后续的计算、分析使用。

本案例测量的铝合金轮毂，其内外圈的表面都进行过滚压处理，目的是使得表面呈现压应力状态，以便提高轮毂使用寿命。为测量轮毂表面的残余应力，将钻孔仪置于轮毂的表面，下图展示的是轮毂外圈的残余应力测量现场。钻孔总深度约1.4毫米，钻孔直径1.8毫米，钻孔完成后，采用SINT的分析软件，对残余应力进行了计算。

轮毂外圈残余应力测量现场

下图展示了轮毂外圈的残余应力测量结果，X方向指轮毂的圆周方向，Y方向是垂直于X的方向。从这个结果可以看到，轮毂外表面有明显的压应力，深度大约0.4毫米，X和Y方向的最大压应力大约-80MPa至-100MPa。可以看到，由于轮毂表面1毫米深度范围残余应力变化明显，如果采用慢速钻孔平均应力的测量方法，无法对这一分布进行精确表征。

图3（a）外圈X方向残余应力分布
图3（b）外圈Y方向残余应力分布
图3 铝合金轮毂外圈残余应力沿深度分布

总结

目前，分层钻孔法残余应力测量设备大多由欧美进口，设备昂贵，这是制约该方法在国内大规模应用的一个重要因素。

从上述的铝合金轮毂测量实例可以看到，应用钻孔法进行非均匀残余应力测量的重点是在确定钻孔深度进行分层测量，而采用气动涡轮高速钻孔（如SINT系统）并非这一方法的唯一钻孔选项，如果采用较高速度的电钻，步进加载，配合精密的机电控制系统也可以达到气动涡轮的钻孔效果，这就可以在没有高压空气的现场进行测量。

实际上，我们通过自研的相关设备，采用电钻分层钻孔，也能获得不同钻孔深度的残余应变释放量，这为分层钻孔法现场测量开辟了另一条路径，后续将在提高测量精度方面进行深入研究。

CEAM的检测分析中心拥有多项高、精、尖的残余应力检测手段，包括钻孔法、轮廓法、X射线衍射法、中子衍射法、FIB-DIC等，结合多种不同空间分辨率的检测方法，实现全尺度、多角度的检测分析。

其中，钻孔法测试是针对试样表面2mm深度的表面残余应力测量技术，适用于金属、陶瓷、塑料等多种材料，具有测量精度高、标准完善、微损伤，以及不受织构及大晶粒等因素影响的优势。