ATQ 005 残余应力检测技术

本书系中关村材料试验技术联盟（CSTM）合格评定试验人员能力专业委员会与全国分析检测人员能力培训委员会（NTC）联合组编的“CSTM/NTC专业试验与通用基础技术能力系列培训教材”之一。
本书依据CSTM合格评定试验人员能力专业委员会与NTC的《ATQ 005残余应力检测技术考核与培训大纲》编写，包括残余应力检测的相关基础知识、残余应力的有损检测和残余应力的无损检测三部分内容，介绍了钻孔应变法、全释放应变法、逐层剥离法、轮廓法、裂纹柔度法、深孔法、压痕应变法、X射线衍射法、中子衍射法、超声法、磁测法等11种常用残余应力检测技术。
本书涵盖了从事残余应力检测工作的试验人员需要掌握的理论、仪器和应用的通用基础与专业试验知识，并附有思考题，可作为培训残余应力检测人员的教材，也可作为高校和科研院所的相关科研、教学人员及分析检测机构技术人员的参考用书。

范弘，教授级高工，享受国务院政府特殊津贴专家。曾任钢铁研究总院测试所无损检测室主任、国家冶金工业钢材无损检测中心主任，钢研纳克检测技术有限公司无损检测事业部总经理，中国金属学会分析测试分会委员、无损检测专业委员会主任委员，冶金无损检测人员资格鉴定与认证委员会秘书长，中国机械工程学会无损检测分会常务委员，中国声学学会检测声学分会委员，《物理测试》和《无损检测》编委。现退休返聘，担任中关村材料试验技术联盟（CSTM）秘书长，中国金属学会无损检测分会副主任委员。主持承担国家重大科研课题11项；获国家专利20余项；获省部级科学技术奖一等奖1次、二等奖1次、三等奖3次（均为第1获奖人）；主持制、修订国家和行业标准19个、团体标准8个；著有《金属材料的涡流检测》和《铁磁金属材料的漏磁检测》以及学术论文30余篇。从1992年起参加过大量金属相关领域、行业的检测技术中高 级人员的培训教学。

1.《ATQ005 残余应力检测技术》是国内首部全面、系统介绍残余应力检测技术的培训教材。 2.《ATQ005 残余应力检测技术》以标准规定的方法为导向，讲述残余应力检测在各个工业领域的应用。 3.《ATQ005 残余应力检测技术》全方位阐述残余应力检测的基础知识、概念和理论。目前同类书籍未见有相同的系统论述。 4.《ATQ005 残余应力检测技术》介绍了11种常用残余应力检测技术，均按照“基础知识”“检测方法和检测设备”“数据处理”和“标准与应用”四个模块阐述，形成对所述技术全视角覆盖。 5.《ATQ005 残余应力检测技术》参编人员均为该领域参加过培训教学的专家和教师，其中相当一部分作者主持制定或参与制定过残余应力检测的国家标准，书中凝结了他们的经验，兼具权威性与实用性。

近二三十年以来，随着工程和材料科学应用需求的快速增长、微电子与计算机技术的进步和普及，残余应力检测技术取得了突破性的进展，新的检测方法不断出现，测试仪器水平持续提升，实验程序步骤愈加规范，测量数据精度大大提高，发展至今已形成二十多种较为完善的分析检测方法。目前，残余应力检测已成为工程结构设计、工艺效果改善、产品质量检验和设备安全分析中不可缺少的重要手段。残余应力检测也从隶属于物理测试的一个学科分支，发展成为一个专门的检测技术领域。伴随着应用日益广泛，从事残余应力分析检测的人员也越来越多。使分析检测从业人员（特别是新人）全面、系统地了解检测原理和检测特点，熟练、规范地掌握检测方法和检测设备，完整、准确地运用检测标准和检测规则，已是残余应力检测工作中面临的一项重要任务内容。
本书是在中关村材料试验技术联盟（CSTM）合格评定试验人员能力专业委员会和全国分析检测人员能力培训委员会（NTC）统一规划下，按照《ATQ 005 残余应力检测技术考核与培训大纲》的要求，面向残余应力分析检测人员编写的一部专用培训教材，同时也可供其他相关领域的分析检测人员以及大专院校相关专业的学生参考。
本教材共分三大部分14章。第一部分是公共基础知识部分，含3章内容，分别介绍了金属材料有关理论以及应力和残余应力基本概念，残余应力检测方法、分类、特点和结果不确定度评定，以及残余应力调控方法，旨在使读者对残余应力检测技术获得概貌了解。第二部分和第三部分按残余应力的有损检测和无损检测分成两类，分别介绍了11种常用残余应力检测技术，共11章，每章都按照以检测原理和应用特点为内容的“基础知识”、以检测工艺和主要工具为对象的“方法和设备”、以应力计算和结果分析为主线的“数据处理”、以规范检测和掌控实操为目标的“标准和应用”四个模块方式介绍一种残余应力检测技术。
本教材由来自CSTM、东莞材料基因高等理工研究院、中国科学院金属物理所、山东大学、石家庄铁道大学、山东建筑大学、山东农业大学、中铝材料应用研究院、武汉理工大学的16位专家学者组成编委会，共同合作撰写完成，各位编著者分别承担的工作如下：全书由范弘统稿主编；第1章中1.1由饶德林、1.2由马艳玲、1.3由李荣锋编写；第2章中2.1由沈克、2.2由牛关梅和李荣锋、2.3由范弘、2.4由沈克、2.5由饶德林和陈静、2.6由马艳玲编写；第3章由马艳玲编写；第4章由李荣锋编写；第5章、第9章和第10章由陈静编写；第6章由吴桂毅编写；第7章由张瑞尧编写；第8章由路来骁、周长安和孙杰编写；第11章由莫家豪、张瑞尧和汪选国编写；第12章由高建波编写；第13章由宋文涛编写；第14章由范弘编写。
在本教材编写中，参考了大量国内外公开发表的与残余应力检测有关的资料，包括著作、文章、论文、标准和手册等，在此谨向参考文献的原作者表示感谢。在编写过程中，编委会根据各行业残余应力分析检测人员培训的特点，兼顾各类知识层次人员的需求，力求通俗、实用，并尽量与国际、国内残余应力检测标准要求相一致。在系统地介绍残余应力检测必要知识的同时，尽可能多地反映近年来科研和仪器制造方面的新成果。但由于应力检测技术涉及的应用领域越来越广，测试仪器的类型、功能和性能不断发展变化，以及受编著者学识和能力所限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请读者批评指正。
在本教材编写过程中，王海舟院士给予了悉心、具体的指导，NTC秘书处佟艳春主任精心、周密组织，还有许多同志为本书付出了辛勤的劳动，在此一并致以深深的谢意。

《ATQ 005 残余应力检测技术》编委会
2024年3月

第一部分残余应力检测相关知识
第1章残余应力相关基础知识2
1.1金属材料的晶体结构2
1.1.1典型金属晶体结构2
1.1.2金属的实际晶体结构7
1.1.3位错及位错运动10
1.2金属材料的力学性能及弹性力学理论12
1.2.1基本概念13
1.2.2应力状态表征16
1.2.3应力应变关系18
1.2.4应力变换20
1.2.5应变变换21
1.2.6弹性力学基本方程*25
1.3残余应力的基本概念28
1.3.1残余应力的定义28
1.3.2残余应力的产生28
1.3.3残余应力的种类31
1.3.4残余应力的影响40
思考题46
参考文献47

第2章残余应力检测技术概述48
2.1残余应力检测的基本概念48
2.2残余应力检测的主要方法和分类49
2.2.1残余应力主要检测方法49
2.2.2残余应力检测方法的分类51
2.3残余应力检测的特点与局限性53
2.3.1残余应力检测的特点53
2.3.2残余应力检测的局限性54
2.4残余应力检测方法的选择55
2.4.1概述55
2.4.2适用对象的比较55
2.4.3检测范围的比较56
2.4.4检测精度的比较57
2.4.5检测特点的比较57
2.5残余应力应变检测法的主要设备58
2.5.1应变计59
2.5.2应变测量仪62
2.6残余应力检测结果不确定度的评定方法65
2.6.1评定检测结果不确定度的意义65
2.6.2评定检测结果不确定度的基本概念65
2.6.3评定检测结果不确定度的通用步骤66
2.6.4残余应力检测结果不确定度评定实例67
思考题69
参考文献70

第3章残余应力调控技术概述71
3.1残余应力调控的基本概念71
3.2内膛挤压法72
3.2.1内膛挤压法的原理72
3.2.2内膛挤压法的处理工艺72
3.2.3内膛挤压法的种类73
3.2.4内膛挤压法的处理效果74
3.3振动时效法74
3.3.1振动时效法原理和设备74
3.3.2振动时效参数选择75
3.3.3振动时效操作程序76
3.3.4振动时效效果评定76
3.3.5振动时效法的特点77
3.3.6振动时效法的应用77
3.4抛喷丸法79
3.4.1抛喷丸法的原理79
3.4.2抛喷丸法的种类及特点79
3.4.3抛喷丸法的工艺参数79
3.4.4抛喷丸法的处理效果80
3.5热处理法80
3.5.1热处理基础知识80
3.5.2热应力与组织应力的概念81
3.5.3消除残余应力的热处理方法82
3.5.4引入残余压应力的热处理方法83
3.6爆炸法83
3.6.1爆炸法的原理83
3.6.2爆炸法的工艺84
3.6.3爆炸处理效果的评价85
3.6.4爆炸法的特点85
3.6.5爆炸法对材料性能的影响85
3.7设计与工艺补偿法*86
3.7.1设计与工艺补偿法概述86
3.7.2设计与工艺补偿法的应用86
3.7.3设计与工艺补偿法的特点91
思考题91
参考文献92


第二部分残余应力有损检测技术
第4章残余应力的钻孔应变法检测技术94
4.1钻孔应变法基础知识94
4.1.1钻孔应变法的发展简史94
4.1.2钻孔应变法的基本原理95
4.1.3钻孔应变法的特点98
4.2钻孔应变法的检测方法和检测设备99
4.2.1钻孔应变法的检测方法99
4.2.2钻孔应变法的检测设备103
4.3钻孔应变法的数据处理104
4.3.1残余应力的计算104
4.3.2检测结果的主要影响因素109
4.3.3检测结果的不确定度分析*110
4.4钻孔应变法的标准与应用112
4.4.1钻孔应变法的检测标准112
4.4.2钻孔应变法的典型应用115
思考题120
参考文献120

第5章残余应力的全释放应变法检测技术122
5.1全释放应变法基础知识122
5.1.1全释放应变法的发展简史122
5.1.2全释放应变法的基本原理122
5.1.3全释放应变法的特点125
5.2全释放应变法的检测方法和主要设备126
5.2.1全释放应变法的检测工艺126
5.2.2全释放应变法的切割设备129
5.3全释放应变法的数据处理130
5.3.1残余应力的计算130
5.3.2检测结果的主要影响因素131
5.3.3检测结果的不确定度评定*131
5.4全释放应变法的标准与应用135
5.4.1全释放应变法的检测标准135
5.4.2全释放应变法的典型应用138
思考题143
参考文献143

第6章残余应力的逐层剥离法检测技术144
6.1逐层剥离法基础知识144
6.1.1逐层剥离法的发展简史144
6.1.2逐层剥离法的基本原理145
6.1.3逐层剥离法的特点148
6.2逐层剥离法的检测方法和检测设备149
6.2.1逐层剥离法的检测方法149
6.2.2逐层剥离法的检测设备151
6.3逐层剥离法的数据处理152
6.3.1残余应力的计算152
6.3.2检测结果的主要影响因素153
6.4逐层剥离法的应用案例154
思考题159
参考文献159

第7章残余应力的轮廓法检测技术160
7.1轮廓法基础知识160
7.1.1轮廓法的发展简史160
7.1.2轮廓法的基本原理161
7.1.3轮廓法的前提假设161
7.1.4轮廓法的特点162
7.2轮廓法的检测方法和检测设备162
7.2.1轮廓法的检测方法162
7.2.2轮廓法的检测设备164
7.3轮廓法的数据处理166
7.3.1数据对齐和数据平均166
7.3.2数据清洗和平滑处理166
7.3.3有限元建模及残余应力的计算167
7.3.4测量结果的主要影响因素167
7.3.5误差分析168
7.4轮廓法的标准与应用169
7.4.1轮廓法的检测标准169
7.4.2轮廓法的典型应用172
练习题174
参考文献175

第8章残余应力的裂纹柔度法检测技术177
8.1裂纹柔度法基础知识177
8.1.1裂纹柔度法的发展简史177
8.1.2裂纹柔度法的检测原理和基本假设177
8.1.3裂纹柔度法的特点179
8.2裂纹柔度法的检测方法和检测设备180
8.2.1裂纹柔度法的检测方法180
8.2.2裂纹柔度法的检测设备183
8.3裂纹柔度法的数据处理184
8.3.1柔度函数的计算184
8.3.2检测结果的主要影响因素185
8.3.3检测结果的不确定度评定*186
8.4裂纹柔度法的典型应用187
练习题191
参考文献192

第9章残余应力的深孔法检测技术193
9.1深孔法基础知识193
9.1.1深孔法的发展简史193
9.1.2深孔法的基本原理194
9.1.3深孔法的特点197
9.2深孔法的检测方法与检测设备197
9.2.1深孔法的检测工艺197
9.2.2深孔法的主要设备201
9.3深孔法的数据处理和应力计算203
9.3.1参考孔内径测量数据的处理203
9.3.2残余应力的计算204
9.3.3检测结果的主要影响因素205
9.4深孔法的典型应用208
思考题212
参考文献212

第10章残余应力的压痕应变法检测技术214
10.1压痕应变法基础知识214
10.1.1压痕应变法的发展简史214
10.1.2压痕应变法的基本原理215
10.1.3压痕应变法的特点217
10.2压痕应变法的检测方法和检测设备218
10.2.1压痕应变法的标定试验218
10.2.2压痕应变法的检测方法220
10.2.3压痕应变法的检测设备221
10.3压痕应变法的数据处理224
10.3.1残余应力的计算224
10.3.2检测结果的主要影响因素225
10.3.3检测结果的不确定度评定*227
10.4压痕应变法的标准与应用231
10.4.1压痕应变法的检测标准231
10.4.2压痕应变法的典型应用233
思考题237
参考文献237


第三部分残余应力无损检测技术
第11章残余应力的X射线衍射法检测技术240
11.1X射线衍射法基础知识240
11.1.1X射线衍射法的发展简史240
11.1.2布拉格定律与X射线检测原理241
11.1.3X射线衍射法的特点244
11.2X射线衍射法的检测方法和检测设备245
11.2.1X射线衍射法的主要检测方法245
11.2.2试样的选择和制备250
11.2.3X射线衍射法的检测工艺步骤251
11.2.4X射线衍射应力测量仪254
11.3X射线衍射法的数据处理256
11.3.1数据处理与应力计算256
11.3.2检测结果的主要影响因素258
11.3.3检测结果的不确定度分析与计算*259
11.4X射线衍射法的标准与应用261
11.4.1X射线衍射法的检测标准261
11.4.2X射线衍射法的典型应用267
练习题268
参考文献269

第12章残余应力的中子衍射法检测技术271
12.1中子衍射法基础知识271
12.1.1中子衍射法的发展简史271
12.1.2中子衍射法的基本原理272
12.1.3中子衍射法的特点273
12.2中子衍射法的检测方法和检测设备274
12.2.1中子衍射法的检测方法274
12.2.2中子衍射法的检测设备279
12.3中子衍射法的数据处理281
12.3.1衍射数据分析281
12.3.2应力计算283
12.3.3检测结果的主要影响因素284
12.3.4检测结果的不确定度评定*285
12.3.5报告结果287
12.4中子衍射法的标准与应用288
12.4.1中子衍射法的检测标准288
12.4.2中子衍射法的典型应用290
思考题293
参考文献294

第13章残余应力的超声法检测技术295
13.1超声法基础知识295
13.1.1超声法的发展简史295
13.1.2超声法的检测原理296
13.1.3超声法的种类301
13.1.4超声法的应用特点302
13.2超声法的检测方法和检测设备303
13.2.1超声法的标定试验303
13.2.2超声法的检测工艺306
13.2.3超声法的检测设备308
13.3超声法的数据处理312
13.3.1残余应力的计算312
13.3.2检测结果的主要影响因素313
13.3.3检测结果的不确定度分析*314
13.4超声法的标准与应用315
13.4.1超声法的检测标准315
13.4.2超声法的典型应用316
练习题319
参考文献320

第14章残余应力的磁测法检测技术321
14.1磁测法基础知识321
14.1.1磁测法的种类和发展简史321
14.1.2磁测法的检测原理323
14.1.3磁测法的应用特点329
14.2磁测法的检测方法和检测设备330
14.2.1磁测法的标定试验330
14.2.2磁测法的检测工艺333
14.2.3磁测法的检测设备334
14.3磁测法的数据处理335
14.3.1残余应力的计算335
14.3.2检测结果的主要影响因素336
14.4磁测法的标准与应用337
14.4.1磁测法的检测标准337
14.4.2磁测法的典型应用340
练习题343
参考文献344


思考题和练习题参考答案346