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金属材料在机械加工和热加工（铸件、焊接件、锻件）的过程中都会产生不同的残余应力。残余应力的存在对材料的力学性能有着重大的影响，焊接件的制造和热处理过程中尤为明显。残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。从而造成使用中的问题。因此，残余应力的检测对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果及废品分析等都有很重要的意义。残余应力的检测国内外均已开展多年，其测定方法可分为机械测定法和物理测定法。机械测定法测定时须将局部分离或分割使应力释放，这就要对工件造成一定损伤甚至破坏，典型的有切槽法和钻孔法，这方面技术成熟，理论完善。其中尤以小直径盲孔法因对工件损伤较小、测量较可靠，已成为现场实测的一种标准试验方法(见ASTME837-99)。物理测定法主要有射线法、磁性法、超声波法，以及国内首创的压痕应变法（GB/T24179-2009），均属于无损检测方法。射线法理论完善，但因有射线伤害和仅能测定表面应力使其应用受到很大限制；磁性法为根据铁磁体磁饱和过程中应力与磁化曲线之间的变化关系进行测定，在一定范围内适用；压痕应变法采用电阻应变片作为测量用敏感元件，在应变花中心部位采用冲击加载制造压痕以代替钻孔，通过应变仪记录压痕区外弹性区应变增量的变化，从而获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力的大小。从已有工程应用结果看，这类方法既有应力释放法的优点，测试设备相对简单，测试结果准确可靠，又有物性法的优点，被测件表面无明显损伤（压痕直径约1.2mm，深度0.2mm），属于无损应力检测方法。
残余应力是材料及其制品在机加工或合金过程中产生的平衡于材料或制品内部的应力。在各种机械和钢结构制造过程中,特别是经过焊接等热加工处理,无法避免地会在结构内部造成很大的残余应力。加工后的残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能,同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响,对结构的强度造成很大危害,历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起。因此,研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验有着重大的意义
焊接残余应力和变形的存在是影响结构或构件脆性断裂强度、疲劳强度、结构稳定性等的重要因素。对于管道结构而言，在内表面存在的拉伸残余应力是导致管道发生应力腐蚀开裂的主要原因之一。
实际测量残余应力的方法有很多种，概括起来为两类，即具有一定损伤性的机械释放测量方法和无损伤性的测量方法。本研究在现有条件下，选择技术上比较成熟、国内外广泛应用的测试方法，即利用盲孔法测量了高频焊管道焊接接头纵焊缝的残余应力。
小孔法的原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整；测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。具体步骤如下：在离钻孔中心一定距离处粘贴几个应变片，应变片之间保持一定角度。然后钻孔，测出个应变片的应变增加量读数。本法在应力释放中对工件的破坏性最小，可钻φ1-3mm盲孔，孔深达（0.8-1.0）D时各应变片的读数即趋于稳定。小孔法结果的精确性取决于应变片粘贴位置的准确性。孔径越小堆相对位置的准确性要求越高。在钻孔时，为防止孔边产生附加的塑性应变，可采用喷沙射流代替钻削。本法也可用表面涂光弹性薄膜或脆性漆来测定应变，但后者往往是定性的
残余应力的传统测量技术一般分为具有一定损伤性的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理测量法[1],其中又以盲孔法和X射线衍射法较为成熟。近年随着薄膜材料和纳米技术的发展,出现了一种新的残余应力测量技术基于硬度压痕的残余应力测量法。与传统方法相比,该测量技术操作简单、经济、方便,对工件几无损伤,容易推广。Oliver和Pharr利用昂贵的纳米硬度计测量了铝合金通过单轴和双轴拉伸引入应力后的硬度值,发现残余应力对硬度的影响并不明显,而仅对施压过程中在压痕周围金属的堆积量非常敏感。Carls2son和Larsson通过理论推导和试验验证定量分析了残余应力(应变)与压痕面积比之间的关系,并认为该方法适用于大多数工程材料。以上研究都是采用昂贵的纳米硬度计进行的,而对于使用常规显微硬度测量方法来测量微米级微区的残余应力分布还未见报道。为了实现使用常规硬度计对微区残余应力的准确测定,作者在前人研究的基础上,通过三点弯曲引入应力和采用原位压痕测量技术,对此建立了理论模型并进行了试验验证.
1、压痕测试法的原理
在经典硬度测量方法中,依据Rockwell,Vickers和Brinell通过相关压痕测定获得相应的硬度量,即除去试力后的压头.由于这些硬度测量方法是基于保留变形压痕,所测定的是材料的可塑硬度,结果得到的是单一硬度测量值.与之相比,压痕测试法成功地实现了试力F和压痕深度h的同步测量.起先压头的加压使试力增至已选最大值;此后试力减至零.图1示压痕测试法的两条曲线.试力增减曲线间的滞后作用是由于试力增加发生了塑2弹性变形以及试力减弱弹性恢复.
依据标准ISO14577-1,压痕测试法的应用范围见图1
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