残余应力是指引起应力的因素消失（如载荷除去、加工终止、温度均匀化、相变完成等），但变形和体积变化仍然不均匀，应力残留在构件内部以保持平衡的情况。
残余应力是影响构件力学性能的重要因素之一，如拉伸残余应力会降低拉伸屈服极限、提高压缩屈服极限，而压缩残余应力则正好相反。宏观残余应力会产生变形，影响疲劳寿命，而微观残余应力会使组织产生微裂纹，引起脆性破坏。
在服役过程中，残余应力与工作应力的叠加，极易引起二次变形和应力重新分布，导致构件变形、开裂、耐腐蚀性能和整体稳定性下降。例如，在交变载荷作用下，当区域应力达到屈服点时，就会产生局部塑性变形；在高温工况下会产生高温蠕变开裂；在腐蚀环境中会产生应力腐蚀开裂。
降低残余应力的有害影响以及预测残余应力的分布趋势和大小十分必要。本文按破坏性和非破坏性检测两大类介绍了残余应力的测试方法，分析比较了各类应力测试方法的误差来源和应用局限性，探讨了残余应力测量技术的发展方向。
1. 破坏性应力测量法
1.1 盲孔法
盲孔法是1934年由德国学者Mathar J提出的，目前已发展到比较成熟的阶段。它的原理是将应变计贴在被测工件表面，然后在工件上钻孔，孔周围应力释放，形成新的应力/应变场分布J。通过标定应变释放系数A、B，可根据弹性力学原理计算出工件原始残余应力和应变。如图1所示，钻孔L在三个应变计上产生的应变与板材残余主应力有如下关系：
式中：ε1，ε2，ε3分别为应变计R，R2，R测得的释放应变；σ1，σ2为残余主应力；E为材料的弹性模量；A，B为应变释放系数钢结构应力应变检测，可由弹性力学的Kirsch理论得到：
式中：E为弹性模量、u为泊松比、d为钻孔直径、rm为应变计平均直径。在钻孔过程中，孔壁发生弹性变形、塑性变形和切削过程，在孔壁周围产生附加应力/应变。附加应力/应变的大小受孔径、孔深、距盲孔中心距离等因素的影响。采用盲孔法测残余应力时，钻孔的偏心和孔周围的塑性变形都会影响其测试精度）。测量位置的选择应遵循以下原则：测量区域附近的应力梯度小；点间距大于15倍孔径；选择典型位置。
1.2 压痕方法
压痕法是基于硬度试验原理发展起来的，是一种无损或微损的应力测量技术。其原理是，在局部载荷作用下，具有内部应力的构件由于应力叠加，会产生位移和应变，通过测量位移△Z和应变△ε，可以计算出构件原始表面残余应力（一般压痕直径和深度为1.2mm×0.2mm）。
使用压痕法需要注意的问题包括：压痕测试区域及周围塑性应变区域的控制，如果塑性应变区域与测试区域完全重叠，将影响测量结果，如果塑性区域完全孤立，测试灵敏度会下降；建立压痕应变增量与残余应力之间的函数关系；进行校准实验和模拟计算，建立应变增量与材料性质之间的定量关系，用计算模拟代替校准。
1.3 切割方法
切割法是沿变形平面对金属进行切割，精确测量切割面的变形轮廓，然后拟合测试轮廓钢结构应力应变检测，以拟合结果作为有限元模型的边界条件进行弹性计算，得到内部垂直切割平面的应力分布，可得到切割表面应力的分布趋势与特征，适用于大型材料残余应力的定性测量。
切削方法破坏了结构件，残余应力释放彻底，因此测量精度高，利用电阻应变计测量释放的应力，可间接得到试样中的初始残余应力。
2. 无损应力测量方法
2.1 超声波法
超声波法利用超声波在材料内部的传播特性来测量应力，即拉应力使声波的传播时间较长，声速较慢，而压应力则相反，利用应力引起的声波双折射效应来测量应力。应力变化引起的声速变化很小，100MPa只引起声速约0.1%的变化。临界折射纵波（LCR）是折射角为90度的折射纵波，对应力最敏感，应用也最广泛。LCR波的应力计算方法如下：
式中：t0、t分别为声波在无应力状态和应力状态下的传播时间，Ki为声弹性常数。超声波穿透能力强，可用于构件内部及表面残余应力的无损检测。超声波检测仪器携带方便，可用于户外及现场测量。但超声波法测量应力时需进行校准实验，且受探头与构件间声耦合层厚度变化、构件材料结构、环境温度变化等影响。
2.2 磁法
目前采用的磁法有两种：磁噪声法和磁应变法。磁噪声法的基本原理是利用铁磁材料的磁致伸缩效应。应力会引起铁磁材料畴壁间距离的变化，从而影响巴克豪森强度（磁感应强度B随磁场强度H的变化而出现不连续的跳跃）。测量装置如图4所示。磁应变法利用材料的磁各向异性来测量应力，当存在应力时，磁导率会随之变化。测量时，传感器与材料表面形成的磁路的磁阻发生变化，进而引起磁路磁通量的变化。磁应变计原理图如图5所示。
磁应变法无法测量较大的残余应力（大于300MPa），且应力与磁导率的关系呈非线性。磁法设备小，测试步骤简单，测量速度快，但难以直接测量多点应力值，只能测量单点主应力差与磁测量参数之间的定量关系。通过水平或垂直激励研究材料的磁性能与磁力之间的关系，建立应力之间的定性定量关系，是该领域的研究热点。
该方法检测的材料种类仅限于测量钢铁等铁磁性材料中的应力；另外，磁法与超声波法一样，可以测量材料内部的应力，但测量结果受材料微观结构（空洞、缝隙、裂纹等）干扰较大。后来，行业专家黄海宏等人提出了金属磁记忆检测技术，可以快速检测出构件的危险区域，并通过磁记忆信号的梯度值指示应力集中情况。
2.3 X射线衍射
X射线法是1929年由俄罗斯学者提出的，经过多年的发展，无论理论还是实际测量方法都比较成熟，是目前应用最为广泛的无损残余应力测试方法。
1. 原理
残余应力测量的X射线衍射法是基于X射线衍射理论。当一束波长为λ的X射线照射到晶体表面时，在特定的角度（2θ）处会出现X射线反射光的峰值，这就是X射线衍射现象。衍射角2θ、X射线的波长λ以及衍射晶面之间的间距d遵循著名的布拉格定律：2dsinƟ=nλ。
式中，K为弹性常数。当选定入射光线的波长（λ为常数）时，通过测量衍射角θ，可由布拉格方程得到受力后的晶面间距，进而得到相应的残余应力值。这里需要指出的是，由于晶体具有各向异性，因此弹性常数K与宏观意义上的弹性模量E不同，需要根据选定的衍射晶面计算得到弹性常数K。
1961年德国学者Macherauch结合弹性理论与Bragg方程提出了测量二维残余应力的sin2ψ法：
根据测角仪ψ平面与2θ扫描平面的几何关系，可采用共倾法、侧倾法两种测试方法，准确检测出工件表面应力。
2.4 中子衍射法
中子衍射法与X射线衍射法类似，但中子穿透深度更大，因此可以检测到大块材料（厘米级）内部的残余应力分布。
中子衍射峰位置的准确性受衍射强度的影响，在反应堆功率、衍射晶面、标准体积等一定条件下，衍射强度主要取决于测试时间。
中子衍射测量残余应力耗时长、费用昂贵，通常需要较大的标准样品体积（10mm3），且空间分辨率较差，无法测量材料表面（>100um及以上）的残余应力。
3 结论
在各个工业领域中，残余应力测试技术及应用研究受到高度重视，目前测试方法相对较少，且每种测试方法都存在一定的局限性，目前应用最为广泛的方法是盲孔法和X射线衍射法。
盲孔法主要针对应变释放系数进行数值分析和实验标定，经过大量研究，在测量精度上取得了新的进展，但该方法会对测试对象造成损伤，限制了其适用范围。X射线作为无损检测方法，只能在表面薄层内进行测量，对测试面要求较高。
磁性法主要用于大型构件残余应力检测，但仅限于磁性材料的测试；中子衍射法主要用于大型构件内部残余应力，国内外研究处于发展阶段；超声波测定残余应力受材料性质、工件形状及组织结构影响较大，测试灵敏度不高；压痕法试验虽然属于破坏性试验，但对材料造成的损伤较小。
现有的测试仪器大多需要人工更换试样、旋转试样角度、人工计算数据、制定校准曲线，工作量较大。通过计算机控制和计算模拟技术的发展，未来仪器有望自动完成试样测试、计算应力分布云图。
