摘要
为验证自主研制的透射式励磁感应钢板内应力无损检测系统的测量效果，在工厂生产线上切取了2种材质、不同板形的4块钢板作为残余应力测量试样，分别使用自研系统、X射线衍射法、超声法和盲孔法进行残余应力测量及比较。取样测量实验发现，4种方法的残余应力测量结果相差明显，同一被测点的测量结果也相差较大，在个别被测点出现残余应力测量值符号相反的现象。针对测量结果数据及其存在的差异，从4种方法的检测原理出发，定性分析了产生差异的原因，概括出4种方法的技术特点，并针对每种方法提出若干使用建议。
钢板带是钢铁工业的主要产品，也是重要的结构材料与功能材
残余应力测量技术发展至今已形成数十种测量方
盲孔法的检测原
X射线衍射法的基本原
超声法的基本原
铁磁性材料在交变磁场中材料的尺寸会发生伸长或缩短的变化，这种现象称为磁致伸缩。当铁磁材料受到外力或者转矩作用发生变形时，磁化强度随外力或转矩变化而变化的现象称为逆磁致伸缩效应。电磁检测法的基本原
笔者课题组研制的透射式励磁无损检测技
X射线衍射法和盲孔法被广泛用于取样离线条件下的钢板残余应力测量，超声法已成为测量各种尺寸静态钢板残余应力最有效的无损检测方法，而透射式励磁无损检测方法和激光超声波方
对比测量实验所用钢板试样的材质分别为镀铝硅钢板和普碳钢板，板形质量分别为外观可见瓢曲和完全平直2种状态。试样钢板的数据及相关信息如
| 试样标号 | 材质/状态 | 有无铝硅镀层 | （长×宽×厚）/mm | 板形状态 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 冷轧高强钢板/热镀态 | 有(约10 μm/侧) | 400×200×2 | 瓢曲 |
| 2 | 冷轧高强钢板/热镀态 | 有(约10 μm/侧) | 400×200×2 | 平直 |
| 3 | 热轧Q235钢板/淬火态 | 无 | 150×150×3 | 瓢曲 |
| 4 | 热轧Q235钢板/退火态 | 无 | 150×150×3 | 平直 |
图1 板形对比
Fig.1 Comparison of plate shape diagram
图2 试样各个测量点位置（单位：mm）
Fig.2 The position of each measuring point of the sample (unit:mm)
首先，使用笔者团队研制的透射式励磁无损检测仪，分别对2块镀铝硅钢板试样上下表面的9个测量位置和2块普碳钢板上表面的5个测量位置依次进行残余应力检测，获得钢板残余应力的分布情况，分析残余应力分布与板形缺陷之间的对应性。为了反映板形瓢曲及镀层对于残余应力的影响，对有镀层钢板的上下表面9个测量点分别进行检测。
然后，分别使用X射线衍射法、超声法以及盲孔法对4个试样的测量点逐个进行检测，获得3种检测方法各自的残余应力分布检测结果。
根据残余应力的产生机理以及钢板的二维结构特征，可以近似认为试样钢板内仅存在纵向（长度方向）和横向（宽度方向）的残余应力。纵向残余应力沿宽度方向上分布不均且有正有负，并处于自平衡状态（即整个宽度上总和为0）；横向残余应力沿长度方向上分布不均且有正有负，并处于自平衡状态（即整个长度上总和为0）。
由于镀层中铝的热膨胀系数比铁略大，硅的热膨胀系数仅为铁的18%，导致在热镀铝硅后的冷却过程中镀层与基板在相同温降下产生不同冷收缩形变，导致沿钢板厚向出现不均匀分布的热处理纵向残余应力。在光整轧制过程中，又由于镀层和基板的力学性能不同而产生不同的轧制纵向延伸形变，并与前工序的热处理形变叠加而导致沿钢板厚向出现新的不均匀分布的纵向残余应力。但是，由于基板厚度是镀层厚度的数十倍甚至更多，故该残余应力的峰值在镀层内比在基板内要大得多。
根据板形生成理论，发生瓢曲的钢板的残余应力分布比板形平直的钢板峰值更高且更不均匀。由于板形瓢曲是纵向延伸不均的结果，所以板形相关的纵向残余应力比横向残余应力更大一些。但是，由于4块样板的测点布置较为密集，间距最大仅为50 mm，板形瓢曲导致的试样同一表面上各点的同向残余应力的波动相对较小，甚至不及上下表面对应测点的同向残余应力的变化明显。
钢板冷却方式也是残余应力的关键影响因素。对于大致相同的材料及初始条件，淬火与退火、自然冷却相比，总是具有更不均匀、峰值更高的残余应力分布。由于试样钢板尺寸较小，所以淬火相关的横向残余应力与纵向残余应力也大小相当。
通过定性分析可知，这4块试样钢板具有完全不同的残余应力大小及分布。由于实际中无法获得试样钢板残余应力的真实值，则上述4种方法的测量结果之间的差异可以互为参考和验证。
使用透射式励磁无损检测法测量镀铝硅钢板和无镀层碳钢板试样的各个测点，得到的残余应力分别如表
| 测量点 | 纵向残余应力/MPa | 横向残余应力/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 试样1 | 试样2 | 试样1 | 试样2 | |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -20.80 | 246.54 | 21.09 | 155.21 |
| 281.64 | 247.03 | -28.45 | 108.50 | |
| 277.87 | 254.66 | -36.99 | 134.39 | |
| -142.85 | 181.73 | 13.95 | 257.22 | |
| -118.84 | 128.35 | -223.63 | 249.29 | |
| -118.18 | 148.18 | 253.24 | 255.49 | |
| 4.18 | 119.29 | 180.33 | 130.72 | |
| 260.98 | 151.15 | -104.13 | 116.65 | |
| 269.22 | 135.17 | -141.03 | 139.12 | |
| 测量点 | 纵向残余应力/MPa | 横向残余应力/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 试样3 | 试样4 | 试样3 | 试样4 | |
| 1 | -86.90 | -59.11 | -102.69 | -51.64 |
| 2 | -111.19 | -51.70 | -71.25 | -57.62 |
| 3 | -87.25 | -42.89 | -68.59 | -54.76 |
| 4 | -226.15 | -59.26 | -395.25 | -62.03 |
| 5 | 17.70 | -43.72 | -113.30 | -40.30 |
透射式励磁无损检测法的测量深度为整个钢板厚度，测量值可以近似认为是测量点处钢板整个厚度上的残余应力的平均值。
由
由
由表
使用盲孔法测量镀铝硅钢板和碳钢钢板试样的各个测点，得到的残余应力分别如表
试样1 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa | 试样2 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -113.88/-64.73 | -34.78/-43.23 |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -4.81/23.82 | -2.42/41.39 |
| -92.06/-20.72 | -11.10/-22.76 | 23.79/34.69 | -36.63/70.32 | ||
| 27.33/-47.75 | 53.43/-33.99 | 19.56/33.30 | -60.32/70.00 | ||
| -104.65/-18.47 | -6.24/-8.35 | -93.59/76.49 | 77.47/145.61 | ||
| -88.17/-37.84 | -17.87/-28.25 | 43.26/22.51 | 78.44/46.23 | ||
| -31.53/-29.88 | -4.15/-1.25 | -4.02/-23.94 | 103.82/-4.17 | ||
| -141.21/-53.93 | -44.33/-43.50 | -79.79/20.50 | 30.36/51.71 | ||
| -65.02/-37.05 | -23.27/-18.52 | 52.69/-6.53 | -3.16/-0.79 | ||
| -2.56/-37.51 | 13.94/-28.02 | 23.65/-40.04 | 71.51/-30.58 |
| 测量点 | 纵向残余应力/MPa | 横向残余应力/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 试样3 | 试样4 | 试样3 | 试样4 | |
| 1 | 18.60 | 27.29 | 18.60 | 63.37 |
| 2 | 64.61 | 62.06 | 153.70 | 111.95 |
| 3 | 124.05 | 44.33 | 388.69 | 47.54 |
| 4 | 30.83 | -9.64 | 69.25 | -11.49 |
| 5 | 84.21 | -36.32 | 100.35 | -46.49 |
理论上，盲孔法测量值为测量点打孔深度方向上各层残余应力释放导致的表面变形协调应变值对应的应力，应变片粘贴在钢板表面使得表层残余应力的影响更大些。本实验的目标打孔深度为1.5 mm，接近或超过钢板厚度的一半，所测残余应力是以表层为主且受一定深度上残余应力影响的综合结果。
由
由
试样1与试样2的上下表面的残余应力差别反映出钢板有瓢曲与板形平直对应的残余应力不同，同一表面的残余应力差别也包括钢板有瓢曲与板形平直对应的残余应力不同；试样3与试样4的残余应力差别反映出有瓢曲与板形平直的钢板淬火与退火处理所对应的残余应力不同。试样同一表面各测点之间由于点与点间距较小，在顺序测量中先打孔对于后打孔有影响，导致了同向残余应力的波动。
盲孔法在钢结构残余应力检测中的检测结果可信度较好，但其只能保证测量深度为孔径的1~1.2倍范围内结构残余应力的准确度。此外，在打孔过程中材料会发生塑性变形，产生热和不圆度偏差等，所以测量结果也会存在一定的误
使用X射线衍射法测量镀铝硅钢板和碳钢钢板试样的各个测点，得到的残余应力分别如表
试样1 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa | 试样2 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -44.25/-194.50 | -335.15/-184.50 |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -142.00/-243.00 | -283.00/-235.50 |
| -191.33/-274.00 | -307.18/-200.50 | -101.50/-127.50 | -146.50/-279.00 | ||
| -257.67/-133.40 | -327.00/-158.50 | -249.33/-148.00 | -239.00/-112.00 | ||
| -288.33/-222.45 | -222.75/-228.75 | -81.00/-176.00 | -260.00/-319.50 | ||
| -139.33/-122.00 | -80.50/-199.13 | -114.00/-180.00 | -214.50/-188.00 | ||
| -251.75/-153.50 | -245.75/-153.00 | -239.50/-174.50 | -164.00/-262.00 | ||
| -282.67/-80.00 | -263.43/-160.95 | -81.00/-289.00 | -198.50/-169.00 | ||
| -67.00/-115.50 | -154.50/-63.40 | -195.00/-345.00 | -237.00/-214.00 | ||
| -195.00/-81.20 | -239.30/-166.00 | -237.50/-229.00 | -181.50/-196.65 |
| 测量点 | 纵向残余应力/MPa | 横向残余应力/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 试样3 | 试样4 | 试样3 | 试样4 | |
| 1 | -191.90 | -57.74 | -191.32 | -76.36 |
| 2 | -104.20 | -56.72 | -197.27 | -42.00 |
| 3 | -221.42 | -30.73 | -159.87 | -42.34 |
| 4 | -284.15 | -96.23 | -174.49 | -46.00 |
| 5 | -47.80 | -117.60 | -25.70 | -21.14 |
X射线衍射法测量值为材料浅表层（约15 μm）的残余应力的平均值。测定时电压设为27 kV，电流为8 mA，靶材为Cr靶。由于2种材质主要材料均为铁素体，测定时选用体心立方结构进行测量表征，衍射面为211晶面。
由
由
可见，X射线衍射法只能测得镀层下较浅深度的残余应力，不能反映钢板整个厚度上的残余应力，也不能反映板形瓢曲与残余应力的对应关
使用超声法测量镀铝硅钢板和碳钢钢板试样的各个测点，得到的残余应力分别如表
试样1 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa | 试样2 测量点 | （上/下）纵向 残余应力/MPa | （上/下）横向 残余应力/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -24.54/-39.43 | 87.64/18.20 |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | -78.00/-138.02 | 68.80/88.00 |
| -4.84/-4.97 | 83.70/113.04 | -88.59/-108.47 | 58.95/63.00 | ||
| -5.00/-14.72 | 29.51/98.00 | -90.50/-83.84 | 54.01/34.11 | ||
| -15.10/-64.08 | 95.50/127.80 | -123.00/-93.71 | 113.10/68.58 | ||
| -0.21/-49.31 | 93.50/108.80 | -49.23/-142.97 | 132.80/63.64 | ||
| 9.75/-14.85 | 24.54/103.14 | -98.47/-118.35 | 118.02/19.32 | ||
| -44.35/-78.89 | 26.50/122.84 | -118.17/-133.14 | 122.93/34.09 | ||
| -54.16/-59.20 | 4.82/157.30 | -68.94/-167.63 | 78.61/78.40 | ||
| -65.50/-56.50 | 24.52/93.00 | -158.67/-152.85 | 177.09/71.00 |
| 测量点 | 纵向残余应力/MPa | 横向残余应力/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 试样3 | 试样4 | 试样3 | 试样4 | |
| 1 | 11.00 | 1.00 | 9.00 | -3.00 |
| 2 | 11.00 | 4.00 | 5.00 | 2.00 |
| 3 | 7.00 | 3.00 | 11.00 | 5.00 |
| 4 | 14.00 | 3.00 | 8.00 | 7.00 |
| 5 | 18.00 | 2.00 | 22.00 | -4.00 |
理论上，临界折射纵波超声法的残余应力测量值为测点处一个波长深度内的残余应力的平均值。本实验测量使用的是5 MHz的超声波，检测深度约为1 mm，不到钢板厚度的一半，因此其测量值约为1 mm厚度上的残余应力的平均值。本研究超声法测量值为标定区域的相对残余应力值。
由
由
从整体上看，超声法测量的4块试样的残余应力值都偏小。其中：试样1和试样2的纵向残余应力比对应点的横向残余应力更略小一些；试样4的纵向和横向的残余应力接近于0。但是，如果选择不同波长的超声波进行测量，有可能实现钢板厚度上不同深度的平均残余应力的测量，可用来近似反映整个板厚上的残余应力分布。对于有镀层的钢板，由于镀层和基板钢板的材料属性的差异，会对超声法测量结果产生较大影
将自主研制的透射式励磁无损检测方法和其余3种常用残余应力检测方法用于镀铝硅钢板试样1和试样2以及碳钢板试样3和试样4，测量各点的纵向和横向残余应力值。试样1和试样2的上下表面纵向与横向残余应力及其均值分布情况分别如图
图3 试样1上下表面纵向与横向残余应力及其均值分布情况
Fig.3 The distribution of longitudinal and transverse residual stresses on the upper and lower surfaces of sample 1 and mean values
图4 试样2上下表面纵向与横向残余应力及其均值分布情况
Fig.4 The distribution of longitudinal and transverse residual stresses on the upper and lower surfaces of sample 2 and mean values
图5 试样3上表面纵向和横向残余应力分布情况
Fig.5 The distribution of longitudinal and transverse residual stresses on the upper surfaces of sample 3
图6 试样4上表面纵向和横向残余应力分布情况
Fig.6 The distribution of longitudinal and transverse residual stresses on the upper surfaces of sample 4
由图
采用4种测量方法检测2种材料的2块板形平直试样，并用标准差对测量结果离散情况进行评价。4种检测方法测得的残余应力标准差见
| 试样 | 透射式励磁无损检测 | X射线衍射 | 超声法 | 盲孔法 |
|---|---|---|---|---|
| 试样2上表面纵向 | 44.52 | 64.01 | 21.71 | 49.29 |
| 试样2下表面纵向 | 44.52 | 68.97 | 36.10 | 31.20 |
| 试样2均值纵向 | 35.87 | 35.80 | 16.81 | 22.79 |
| 试样2上表面横向 | 41.56 | 46.62 | 24.60 | 23.30 |
| 试样2下表面横向 | 53.80 | 62.21 | 31.55 | 42.60 |
| 试样2均值横向 | 43.62 | 45.80 | 23.44 | 21.33 |
| ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
| 试样4表面纵向 | 7.11 | 31.12 | 1.02 | 35.87 |
| 试样4表面横向 | 7.33 | 17.64 | 4.32 | 55.97 |
试样2和试样4为板形平直的钢板，各测点之间的间距较小，且试样4为退火态，所以每个试样同一表面的同向残余应力分布较为均匀。因此，比较同一试样、同一表面及同向的9个或者5个残余应力值的标准差，可以获得每种检测方法测量值的离散程度，可反映出每种检测方法的测量稳定性。
由
1） 为了验证和完善自主研制的透射式励磁感应钢板内应力无损检测技术，将透射式励磁无损检测法与常用的3种检测方法——盲孔法、超声法和X射线衍射法进行了实验比较分析。
2） 以2种材质、不同板形的4块钢板为残余应力测量样本，对比了透射式励磁感应检测方法与X射线衍射法、超声法及盲孔法的残余应力测量结果，发现4种检测方法的测量结果存在明显差异。
3） 基于实际测量数据并结合检测原理，对比分析了4种检测方法的检测结果，得知造成较大差异是因为检测方法的原理不同，以及不同方法适宜的测量对象与场景不同。因此，针对不同的测量需求应该选择正确合适的测量方法。
4）目前，对于残余应力检测方法缺乏成熟的评价标准。针对此，笔者使用同试样、同表面及同向的各个残余应力值的标准差，评价每种检测方法测量值的离散情况，反映每种检测方法的测量稳定性。实验发现：对于镀铝硅钢板，测量值离散度从小到大依次为超声法、盲孔法、透射式励磁无损检测法及X射线衍射法；对于普通碳钢板，测量值离散度从小到大依次为超声法、透射式励磁无损检测法、X射线衍射法及盲孔法。
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