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機械應力檢測

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發(fā)布時間：2025-07-23 03:15:10 更新時間：2025-07-22 03:15:10

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作者：中科光析科學技術研究所檢測中心

機械應力檢測：關鍵環(huán)節(jié)保障結構安全與性能

機械應力檢測是工程材料、零部件及整體結構安全評估不可或缺的核心環(huán)節(jié)。它通過量化材料或構件在外力作用下產生的內部抵抗力（應力），評估其是否處于安全設計范圍內，預測疲勞壽命，驗證設計合理性，并診斷潛在失效風險。無論是航空航天、汽車制造、建筑工程、能源設備還是精密儀器領域，在產品研發(fā)、生產制造、服役監(jiān)測及事故分析的全生命周期中，機械應力檢測都扮演著至關重要的角色。準確掌握構件內部的應力分布及大小，是預防過載失效、確保結構完整性與可靠性的根本手段。

核心檢測項目

機械應力檢測通常聚焦于以下幾個關鍵項目：

靜態(tài)應力檢測： 測量在恒定或緩慢變化載荷（如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉）作用下產生的應力大小與分布。
動態(tài)應力/應變檢測： 監(jiān)測在交變載荷、沖擊載荷、振動載荷作用下應力的實時變化，用于疲勞分析和振動特性研究。
殘余應力檢測： 測定材料在經(jīng)歷加工（如焊接、鑄造、鍛造、切削）或服役過程后，內部殘留的、不受外力作用的應力狀態(tài)。殘余應力對疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性及應力腐蝕破裂有顯著影響。
應力集中分析： 識別結構幾何突變處（如孔、槽、臺階）或缺陷附近的高應力區(qū)域，評估其風險等級。

常用檢測儀器

根據(jù)檢測原理和應用場景，主要儀器包括：

電阻應變片（Strain Gauges）與應變儀： 最基礎且廣泛應用的技術。將應變片粘貼于被測物表面，通過測量其電阻變化（與應變成正比）推算應力（需材料彈性模量和泊松比）。適用于實驗室測試和現(xiàn)場監(jiān)測。
引伸計（Extensometers）： 主要用于材料拉伸、壓縮試驗中精確測量標距內的變形量，結合載荷計算應力。
光測彈性法儀器（Photoelasticity Equipment）： 利用透明模型或涂層的雙折射效應，通過偏振光觀測應力條紋圖，直觀顯示應力分布，尤其適合復雜幾何形狀和應力集中分析。
光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating Sensors, FBG）： 將光柵寫入光纖，通過測量反射/透射光波長的漂移來感知應變/溫度。抗電磁干擾、體積小、可分布式測量，適用于長期健康監(jiān)測。
X射線衍射應力分析儀（X-Ray Diffractometer, XRD）： 通過測量材料晶格間距的變化（由應力引起）來無損測定表面殘余應力（通常幾微米深度）。精度高，是殘余應力檢測的標準方法之一。
超聲應力檢測儀： 利用聲彈性效應（應力影響超聲波傳播速度）進行應力測量，可進行一定深度的檢測，但精度和適用材料有限。

主要檢測方法

方法的選擇取決于被測對象、所需信息（靜態(tài)/動態(tài)/殘余）及精度要求：

電阻應變測量法： 核心步驟包括測點選擇、表面處理、應變片粘貼與固化、導線連接、組橋（消除溫度影響）、靜態(tài)/動態(tài)校準、加載測試和數(shù)據(jù)處理。優(yōu)點是技術成熟、成本相對較低、可測動態(tài)應變。
光彈性法： 通常需要制作透明模型（環(huán)氧樹脂等）或對實物表面噴涂光彈涂層。在偏振光場中加載模型，觀察等差線和等傾線，通過條紋級數(shù)和方向計算主應力差及方向。適用于定性或半定量分析復雜應力場。
X射線衍射法： 需精確確定衍射角（2θ），通過測量特定晶面的衍射峰位移（對應晶面間距變化），利用sin2ψ法或Ω法計算應力。對試樣表面狀態(tài)要求高（平整、無粗大晶粒）。
鉆孔法（盲孔法）： 常用殘余應力檢測方法。在待測點鉆一小孔（釋放局部應力），測量孔周圍因應力釋放產生的微小應變，通過應變片或數(shù)字圖像相關（DIC）技術獲取應變，再根據(jù)彈性力學公式反算初始殘余應力。屬半破壞性方法。
振動疲勞測試： 通過激振器對結構施加可控振動載荷，結合應變測量系統(tǒng)實時監(jiān)測關鍵部位的動態(tài)應力響應，評估疲勞壽命。

重要檢測標準

機械應力檢測需遵循相關國際、國家或行業(yè)標準，確保結果的可比性與權威性：

電阻應變測量：
- ASTM E251 - 《金屬材料用電阻應變片性能特征的標準試驗方法》
- ISO 9513 - 《金屬材料單軸試驗用引伸計系統(tǒng)的標定》
- GB/T 13992 - 《金屬粘貼式電阻應變計》
殘余應力測量：
- ASTM E837 - 《用鉆孔應變片法測定殘余應力的標準試驗方法》
- ASTM E915 - 《用X射線衍射技術測定殘余應力的標準試驗方法》
- ISO/TS 21432 - 《工程應用無損檢測 - 中子衍射測定殘余應力的標準方法》
光彈性法：
- ASTM D4093 - 《光彈性模型應力分析的標準試驗方法》
疲勞測試：
- ASTM E466 - 《金屬材料進行力控恒定振幅軸向疲勞試驗的標準實施規(guī)程》
- ISO 12107 - 《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》
通用原則：
- ISO 9513 - 《金屬材料單軸試驗用引伸計系統(tǒng)的標定》
- VDI/VDE 2630 - 《光學三維測量系統(tǒng)特性及校準》 (涉及DIC等光學方法)

進行機械應力檢測時，必須嚴格遵循標準規(guī)定的試樣準備、儀器校準、測試流程、環(huán)境條件控制和數(shù)據(jù)處理方法，同時充分考慮被測材料的特性（各向同性/異性、線性/非線性）及測試本身的局限性（如應變片的粘貼質量、XRD的表面效應、鉆孔法的塑性影響等），以確保檢測結果的準確性和可靠性，為工程設計、安全評估和質量控制提供堅實的依據(jù)。