对机翼、机身整体大梁、整体加强框、整体油箱等构件采用整体结构设计，可以减轻飞机结构的质量、提高飞机的整体性能。航空铝合金厚板是飞机整体结构制造的重要原材料，在进行轧制、热处理等工序时，板材内部会产生残余应力。在加工过程中，残余应力易使零件发生变形，甚至导致产品报废。当具有较高残余应力的板材加工成结构件时，结构件的应力腐蚀性能、静拉伸力学性能、断裂韧性等均会受到影响。

厚板残余应力的测试方法包括机械释放法、无损检测法、裂纹柔度法、纳米压痕法和激光超声波法等，许多学者对这些方法进行对比分析，得到了不同测试方法的优缺点及其适用范围。廖凯等根据弹性力学理论，运用现行积分形式建立起剥除层残余应力与试样变形之间的关系，通过变形或者应变反求应力，还原了厚板内部连续的应力变化，推导出了应力求解积分形式。王树宏等运用弹性力学理论推导出了厚板内部残余应力测试的新方法，采用该方法可以测试预拉伸铝合金7050-T7451厚板沿厚度方向的残余应力分布。张延成等运用弹性力学理论推导出测试厚板内部残余应力的改进剥层应变法，测试了2D70-T351预拉伸铝合金厚板沿厚度方向的残余应力分布，并采用有限元分析技术模拟了该板材的应力分布，验证了该方法的准确性。但目前国内学者提出的许多应力测试方法仍然停留在试验阶段，并未形成相应的测试标准。

层削法在波音及空客公司的测试标准中都有运用。波音公司的标准BMS7-323《高强度、耐疲劳、抗应力腐蚀7050铝合金板》采用层削法测试航空板材纵向试样的加工变形挠度，以挠度的大小判断产品是否合格,并不计算试样或板材的残余应力。空客公司的标准AITM1-0040《金属板材残余应力测量》采用层削法测试试样的加工变形挠度，然后计算试样及板材内部的残余应力分布。研究人员对不同标准的残余应力测试方法进行研究，并对国内现有航空板材的残余应力分布进行测试，分析了不同厚度板材的应力分布规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试样取自7050-T7451高强度铝合金航空板材，表1为对应的试样尺寸参数。试样保留原始轧制表面，去除加工时，铣刀盘直径为66mm，最大进给速率为2000mm/min，转速为3000r/min，粗加工单次进刀量为1mm，精加工进刀量为0.3mm。共采用两种试样类型，一种是有沉孔的试样，一种是无沉孔的试样。

1.2 试验方法

参照BMS7-323及AITM 1-0040标准，残余应力测试的主要过程为：将试样放置到支撑架上，以试样底部的轧制表面为参考平面，试样上部的轧制表面为铣削平面，在参考平面中心点法向固定千分表，测试参考平面的挠度，试样初始厚度处的千分表指针设为零点；随后逐层铣削试样的铣削平面，每道次铣削试样总厚度的1/20,直至试样厚度为原始厚度的一半(部分试样超过一半厚度)；每次铣削一层试样厚度，将试样放置到最初的测试位置，测试参考平面中点的挠度；最终将测得试样所有道次的厚度和挠度代入应力 计算公式，计算试样的残余应力。

2 试验结果

2.1 有沉孔与无沉孔试样的测试结果

将厚度为76mm的B组板材加工成29个纵向试样，分别编号为BL1~29，其中试样 BL3、BL8、BL21不加工沉孔，试样BL4、BL9、BL22加工沉孔。图1为有沉孔与无沉孔试样的应力测试结果。由图1可知：有沉孔试样的平均最大拉伸应力为13.9MPa，平均最大压缩应力为-13.6MPa；无沉孔试样的平均最大拉伸应力为13.8MPa，平均最大压缩应力为-13.2MPa。有沉孔和无沉孔试样测试结果的差值与平均值之比小于3%，说明试样的沉孔对测试结果几乎无影响。

2.2 板材不同宽度位置的拉伸和压缩应力

图2为B组板材不同宽度位置试样的最大拉伸和压缩应力。图3为B组板材不同宽度位置试样最大拉伸和压缩应力在厚度上的位置。由图2，3可知，厚度为76mm板材的整个宽度范围内，平均最大压缩应力为-14.0MPa，位于板材12mm和64.2 mm 厚度位置；平均最大拉伸应力为13.4MPa，位于板材26.8mm和49.4mm厚度位置。图2中虚点均为从残余应力与板材厚度规律性较差的试样曲线获取的数据，观察将虚点排除后的曲线，可见板材不同宽度位置的最大压缩应力与最大拉伸应力具有较好的一致性。

B组板材中试样BL1、BL2、BL3、BL27、BL28、BL29的取样位置为板材边缘，试样BL13、BL14、BL15、BL17、BL18、BL19的取样位置为试样中间宽度位置，对板材边缘和中间宽度的试样在厚度方向的残余应力进行测试，结果如图4，5所示。由图4，5可 知：板材边缘试样的平均最大拉伸应力为12.1MPa，平均最大压缩应力为-14.2MPa；中间宽度试样的平均最大拉伸应力为13.8MPa，平均最大压缩应力为-13.5MPa。

2.3 板材试样不同厚度位置应力分布

对板材中部试样BL13不同厚度位置的应力分布情况进行测试，结果如图6所示。由图6可知：板材表层为压缩应力，该应力随厚度增加逐渐增大，在66.9mm厚度位置达到峰值，随后压缩应力减小，在板材厚度约为57.5mm位置应力减小到0，残余应力转变为拉伸应力，拉伸应力在板材47.8mm厚度位置达到峰值；随厚度继续增加，拉伸应力逐渐减小，在厚度为40.2mm位置再次减小到接近于0。

B组板材纵向试样应力沿厚度分布情况如图7所示。由图7可知：板材纵向试样厚度为0~19mm(A区)以及厚度为57~76mm(D区)位置为压缩应力区，A区和D区是压缩应力从低到高再降为0的单一应力起伏区，平均压缩应力峰值为-14MPa，位于板材两侧轧制表层下方12mm厚度位置；板材纵向试样厚度为19~57mm位置为拉伸应力区，包括两个拉伸应力起伏区(B区和C区)以及3，4点之间的低应力区，B区和C区的平均拉伸应力峰值为13.6MPa，分别位于板材的26.8mm和49.4mm厚度位置，低应力区的最小应力为2.2MPa；在压缩应力峰值向拉伸应力峰值的过渡区，板材试样的残余应力与厚度具有良好的线性关系。

图8为厚度为20mm的A组板材纵向试样的应力分布曲线。从图8可知：试样表层为压缩应力区，峰值位于试样的表面；随着厚度增加，压缩应力逐渐减小，在板材试样厚度约为17.7mm位置，压缩应力减小为0，然后变为拉伸应力；在厚度为14.6mm位置，拉伸应力达到峰值，随后拉伸应力逐渐减小，并在厚度约为12mm位置应力再次减小到0；在板材试样厚度心部区域为无应力或压缩应力区，试样A1心部区域的压缩应力极小，接近于0，试样A2心部区域的压缩应力约为-4.4MPa。

图9为厚度为165mm的C组板材纵向试样的应力分布曲线。由图9可知：试样表层为拉伸应力区，峰值在板材试样表面；在厚度约为152.6mm位置拉伸应力变为0；随后应力变为压缩应力，在厚度约为136mm位置，压缩应力达到峰值；随着厚度增加，压缩应力逐渐减小，在深度为108.2mm位置，压缩应力变为0，随后应力变为拉伸应力；在厚度为102.8mm位置，拉伸应力达到峰值，然后逐渐减小，在厚度为86.2mm位置，拉伸应力减小到5MPa。

图10为不同厚度板材试样的应力区域分布及所占全厚度的百分比。由图10可知：厚度为20mm及76mm板材纵向试样的表层为压缩应力区，次表层为拉伸应力区，心部为无应力或低应力区；厚度为165mm的板材纵向试样，从表层到心部分别为拉伸应力区、压缩应力区、拉伸应力区、低拉伸应力区；厚度为20,76，165mm的板材纵向试样在一半厚度上拉伸应力区与压缩应力区宽度的比例分别为2.5，1，1.3。

3 综合分析

3.1 层削法的试样类型

BMS7-323标准采用长条形试样，测试试样在铣削掉不同厚度的材料之后，参考平面中心点在一定支撑距离下的变形挠度。不同厚度板材试样在所有加工道次完成之后，所有单层加工的最大变形挠度以及所有道次总加工的最大变形挠度应不超过标准要求。该标准将纵向试样参考平面中心点的变形挠度作为判断板材是否合格的判据。相对于其他标准,该标准实际运用的可操作性更强。

AITM1-0040标准同样采用长条形试样，试样两端不加工沉孔，铣削试样时，只能从侧面夹持试样。测试参考平面所用的支撑距离比BMS7-323标准要求的支撑距离更长。该标准提供了完整的残余应力计算公式。此外，该标准计算板材的残余应力需要横向和纵向两个方向的试样同时进行测试，如果只测试一个方向的试样变形挠度，只能得出试样在该方向不同厚度的残余应力，不能得出板材在不同厚度下的残余应力。

3.2 层削法试样的加工

层削法在测试试样残余应力时，需要逐层铣削掉一部分厚度，因此需要考虑试样加工过程中的夹持问题。BMS7-323标准要求试样在支撑距离外加工两个沉孔，用螺栓将试样固定在加工基座上，使试样固定更为牢固，铣削时不易发颤，更容易保证试样长度范围内厚度铣削均匀。AITM1-0040标准要求保持整个长条形试样的完整性，试样不加工沉孔，加工时夹钳从侧面夹持试样，该方法产生的内应力会导致试样发生轻微变形，且侧面夹持难以保证试样铣削面为平面，铣削后试样的厚度略有差异，其次夹钳通常比较短，只能夹持试样中段长度，试样两端悬空，加工时试样易发生颤动。

在试样两端加工沉孔，在测试时会造成应力释放，理论上会改变试样应力分布。但根据实际测试结果可知，有沉孔和无沉孔试样测得的残余应力没有明显区别，说明沉孔造成的应力释放对测试结果的影响极小，因此可以用有沉孔试样测试残余应力。

4 结论

(1)用层削法测试残余应力，试样两端有沉孔和无沉孔对测试结果无明显影响，可以用有沉孔试样测试残余应力。

(2)厚度为20mm及76mm板材纵向试样的表层为压缩应力区，次表层为拉伸应力区，心部为无应力或低应力区；厚度为165mm板材纵向试样从表层到心部分别为拉伸应力区、压缩应力区、拉伸应力区、低拉伸应力区。厚度为20，76，165mm试样在一半厚度上，拉伸应力区与压缩应力区的宽度比分别为2.5，1，1.3。

(3)板材在不同宽度位置测得的残余应力没有显著差异。为与标准保持一致性，建议从板材中间宽度取样。