应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下材 料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现的损坏或失效。而对于有益的物性改变，加以合理的利用可 以增强材料的机械性能，因此分析材料的应力分布及 应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值， 应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前，常 用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、 超声法及纳米压痕法。 

1.1 机械法

● 1.1.1 小孔法

　　小孔法于1934 年由德国学者J.Mather 提出[1]，并由Soete 发展完善，使其具有实用性[2]。经过数十年 的发展，美国材料试验协会（ASTM）于1981 年颁布 了钻孔测量法残余应力标准（ASTM E837—1981）， 并于2008 年更新为ASTM E837—08[3]，将其确定为 

一种标准化的测试方法。其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴好的三 向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量 材料应力释放前后的应变量，运用相应的应力学公式 计算出对应的主应力值及主应力方向。 

　　根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法。根据钻孔方式不同，小孔法又可分为钻孔开孔法、 喷砂开孔法和高速透平铣孔法。其中钻孔开孔法是小孔法测试残余应力中最简单的开孔方式，目前在我国 实际生产中已得到了广泛的应用，该方法测量方便， 操作简单，且设备便宜，但钻孔时孔壁受到钻头挤压 会发生塑性变形产生附加应变，影响残余应力测量精 度。喷砂开孔法的特点在于开孔不受材料限制，加工 应变很小，测量精度高，但操作过程复杂，且不适用 于较软材料或有应力梯度构件的测试。高速透平铣 孔法特点在于可在高硬度材料上铣孔，且加工应变很 小，这是由于铣孔转速高、进刀量小以及可采用特殊 的倒锥型铣刀，同时高速铣平钻孔装置使用也非常方 便。因此，高速透平铣孔法是发达国家应用较多的小孔法残余应力测试方法，并且是美国标准ASTM E837—08 推荐的小孔法钻孔方式之一。

　　综上所述，小孔法由于具有对构件破坏性小、测量精度较高、设备轻便且便宜等特点，在现场得到广 泛应用，但在使用过程中应注意以下问题： 

1) 释放系数A 和B 。释放系数受工件材料类型、厚度、所用应变片尺寸等因素的影响，因此对于不同 的使用条件需对释放系数分别进行标定。在弹性范围内，应变释放系数A 、B 均为常数。当孔边材料发生 屈服时，塑性应变的数值随应力水平变化，这时需对 释放系数进行分级处理。 通孔法应变释放系数可由Kirsch 理论解直接计算出，盲孔法应变释放系数则需用实验标定，近年来有 研究将有限元法引入释放系数的标定中，证明有限元法能对释放系数进行有效标定，进而简化了释放系数标定的复杂度和难度。 

2) 附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边塑性挤压，会产生附加应变。为消除其对测量结果的 

影响，可结合光学方法进行测量，其优点在于可进行全场测量，并可得到靠近孔周的残余变形信息。两者 相结合能使小孔法的测量精度显著提高。 

3) 钻孔偏心。在钻孔测量时，不可避免会产生钻孔偏心，标准[6] 提出当钻孔中心与应变花中心的不重

合度误差在(0.004~0.02)D ，且不可重复时，可对测试应力值进行修正。 

● 1.1.2 环芯法

　　环芯法由Milbradt 于1951 年提出，其原理与小孔法相似，是在待测工件上贴应变花，并在应变花 

周围铣一直径为D 的浅环槽，将其中的环芯部分从工件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出 来，最终将应变花测得的应变结果带入相应的应力计 算公式，即可得到工件待测点的主应力及其方向，其 计算公式与小孔法相同。这种方法也属于局部破坏 测量方法，其破坏性比盲孔法大，但它的应变释放率 高于盲孔法，且可测量近表面一定深度范围内的残余 应力分布，且测试精度比盲孔法高。目前已制定环芯 法测试汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的相关 标准，并在这两个领域得到广泛应用。 

　　环芯法测残余应力的误差主要来源于应变计灵敏系数、零点漂移误差和释放系数A 与B 的误差及铣刀 产生的加工附加应变。其中附加应变引进的误差可预先标定，然后在测量时扣除，以达到减少误差的目的。 对于释放系数A 与B 的标定，不同材料及不同的铣槽 深度需分别进行标定，标定方法可采用拉伸实验法和 有限元法，有限元法标定系数与拉伸实验法的误差在 ±2% 以内，由于有限元法更为经济简便，因此，推荐 该方法进行释放系数标定。 

1.2 光测法

● 1.2.1 光弹性法

　　光弹性法是将具有双折射效应的透明光弹性贴片粘贴在被测工件上并置于偏振光场中，当给工件加上载 荷时，贴片上产生干涉条纹图。通过测量干涉条纹数目，可确定工件在受载情况下的应力状态，工件应力梯度越 大，干涉条纹越密集。由于光弹性法可以显示构件表面 的应变场条纹图像，可研究复杂几何形状和载荷条件构 件的应力分布状态，目前光弹性法广泛应用于建筑、复 合材料等多个领域的实验测量和应力场分析。 

　　光弹性方法属于非接触测量方法，具有机械法不 能达到的全场测量优势，既可测量表面应力，也可测量内部应力；且该方法能够清晰地反映应力集中部位， 并可确定应力集中系数，但其不足之处体现在工艺较 复杂，测量周期比较长，需要将被测对象置于偏振光 环境中且光学系统相对复杂。 

● 1.2.2 云纹干涉法

　　云纹干涉法是上世纪80 年代发展起来的一种现代光测力学方法，并且随着D.Post[17] 等研究者对云纹干 涉法理论建设的完善以及试验设备的进步，该实验方法越来越成熟。其基本原理是将光栅粘贴在试件待测 面上，两束相干准直光以一定入射角对称入射到试件 栅上，在试件表面法线方向上得到干涉条纹；当试件 受力变形后，试件栅随之变形，干涉条纹的级数和间 距将发生变化，根据弹性力学的几何方程，可以计算 出应变场及应力。 

　　云纹干涉法的试件栅是栅线密度为600~1200线/mm 的高密度衍射光栅，其灵敏度比传统云纹法高 出30~120 倍。云纹干涉法的图形与光弹性实验相似， 但对模型材料没有光学性能要求且计算方法不同。 

云纹干涉法与电测法不同之处在于光栅（贴片）的面积大，计算点数多，能求出应变场。云纹干涉法具有高灵 敏度、条纹质量好、条纹分辨率高、大量程、实时观测 等优点，其应用越来越广泛，特别是在与小孔法、环芯 法等结合测试残余应力方法取得了良好的效果。 

1.3 磁测法

● 1.3.1 金属磁记忆法

　　金属磁记忆检测方法是20 世纪90 年代，以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出的铁磁金属材料诊断 检测技术。其原理是从铁磁金属表面拾取地磁场作用下的漏磁场信息，处于地磁环境下的铁磁构件受载 荷的作用，应力和变形集中区会发生具有磁致伸缩性 质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向。这种不可逆 变化在工作载荷消除后会保留下来，并在应力与变形 集中区形成漏磁场感应强度H P 的变化，即H P 的切向 分量H P(x ) 具有最大值，而法向分量H P(y ) 改变符号 且具有零值点，通过检测铁磁构件表面磁场分布情况，如磁场法向分量H p(y ) 及梯度K =dH P(y )/dx 等特征 量，可对应力集中或缺陷进行准确推断。 

　　目前金属磁记忆法的主要应用于确定设备和构件的应力应变状态的不均匀性和应力集中区；将其与常 规无损检测方法结合可减少检测成本、检测构件裂纹 （尤其是焊接裂纹）；各种类型焊接的质量控制（包 括接触焊与点焊）；通过构件的不均匀性对新生产和 在役机械制造产品实施快速分类等。 

　　金属磁记忆法是21 世纪最具潜力的无损检测方法，在实际应用中有诸多优点：既可以检测宏观缺陷， 又可以检测微观缺陷，并预报潜在危险；检测时采用 非接触方法，不需要对被检测器件进行任何表面清理 或预处理；能实现在役设备的无损检测，无需专门的 磁化设备；设备轻便、操作简单、检测效率高（能达 到100m/h 以上）。 

　　金属磁记忆检测经过近20 年的发展，虽然取得了不少研究成果和检测经验，但仍存在许多需要解决的 问题，首先是机理尚不成熟，未形成一套系统严密的 理论体系；其次是打磨、环境磁场等外因素对磁记忆 检测的影响有待进一步研究分析；对残余应力的定量 化问题所做的研究较少。