殘余應(yīng)力檢測方法

1、關(guān)于構(gòu)件的殘余應(yīng)力檢測(盲孔法檢測)一、前言(1) 應(yīng)力概念通常講，一個(gè)物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達(dá)到平衡、相變已經(jīng)終 止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：第I類內(nèi)應(yīng)力是存在丁材料的較大區(qū)域 (很多晶粒)內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè) 截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第I類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞 時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。第II類內(nèi)應(yīng)力是存在丁較小范圍(一個(gè)晶粒或晶粒內(nèi)部的區(qū)域)的內(nèi)應(yīng)力。第m類內(nèi)應(yīng)力是存在丁極小范圍(幾個(gè)原子間距)的內(nèi)應(yīng)力。在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第I類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，第I類內(nèi)應(yīng)力的

2、測量技術(shù)最為完善，它們對材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得最為透徹。 除了這樣的分類方法以外，工程界也習(xí)慣丁按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和 命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且 一股指的都是第I類內(nèi)應(yīng)力。(2) 應(yīng)力作用機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、 尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。適當(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可 能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因 素；而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失去尺寸精度，甚 至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故。(3) 應(yīng)力的產(chǎn)生在機(jī)械制造中

3、，各種工藝過程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上 講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為：1. 不均勻的塑性變形；2. 不均勻的溫度變化；3. 不均勻的相變(4) 應(yīng)力的調(diào)整針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能 不利的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)還可以引入有益的殘余壓應(yīng)力分布， 這就是殘余應(yīng)力的 調(diào)整問題。通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有： 自然時(shí)效把構(gòu)件置丁室外，經(jīng)氣候、溫度的反復(fù)變化，在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下，使殘 余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過一年自然時(shí)效的工件，殘余應(yīng) 力僅下降 泌 10%但工件的松弛剛度得到了較大地提高，因而工件的尺寸穩(wěn)定 性很好。但由丁時(shí)效時(shí)間過

4、長，一般不采用。 熱時(shí)效熱時(shí)效是傳統(tǒng)的時(shí)效方法，利用熱處理中的退火技術(shù)，將工件加熱到500 650 C進(jìn)行較長時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過原子擴(kuò)散及塑 性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。從理論上講采用熱時(shí)效， 只要退火溫度和時(shí)間適宜，應(yīng)力可以完全消除。但在實(shí)際生產(chǎn)中通?？梢韵龤堄鄳?yīng)力的7080%但是它有工件材料表面氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。 振動(dòng)時(shí)效振動(dòng)時(shí)效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形， 從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。 其特點(diǎn)是處理時(shí) 間短、適用范圍廣、能源

5、消耗少、設(shè)備投資小，操作簡便，因此振動(dòng)時(shí)效在70年代從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)后在國內(nèi)被大力推廣。 靜態(tài)過載法靜態(tài)過載法是以靜力或靜力矩的形式， 暫時(shí)加載丁構(gòu)件上，并在這種載荷下 保持一段時(shí)間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。用丁焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近丁材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決丁附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時(shí)間。 特別指出，靜態(tài)過載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。 熱沖擊時(shí)效法1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈

6、服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。 超聲波時(shí)效法超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國家得到推廣，該方法起先主要 應(yīng)用丁船舶、核潛艇、航空航天等對消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。(5)應(yīng)力檢測方法檢測振動(dòng)時(shí)效的效果實(shí)際上就是檢驗(yàn)工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對殘余應(yīng)力的測試方法總的分為兩大類。一類是 定量測量：如盲孔法、X射 線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是 定性測試：如振動(dòng)參 數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。 振動(dòng)參數(shù)曲線法一項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效工藝是否成功，起最后的檢測方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺 寸精度保持性的測試。但在振動(dòng)處理過程中采用上述兩種參數(shù)是

7、不可能的，它需要長時(shí)間和復(fù)雜的測試過程。通常在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過程中往往采用振動(dòng)時(shí) 效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時(shí)間參數(shù)曲線測試法，并按JB/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)中第4.1條款或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)中的第6.2條款驗(yàn)收來實(shí)現(xiàn)。A、幅頻特性曲線掃描法在振動(dòng)處理過程中隨著殘余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，所以在幅頻特 性曲線上所表現(xiàn)出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。B、振幅-時(shí)間曲線監(jiān)測法幅-頻特性曲線是在振動(dòng)處理的前后進(jìn)行的，且頻率在不斷的改變。有時(shí)為了獲得更好的曲線還需要將激振力調(diào)到最小(偏心最小的檔級)。采用頻率不變的同時(shí)畫出振幅隨時(shí)間變化的曲線。 這種方法既可以通

8、過振幅的變化來 控制振動(dòng)處理的有效時(shí)間，乂可通過振幅的變化量來檢測殘余應(yīng)力的變化情 況。 盲孔法應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點(diǎn)上鉆一小孔， 使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計(jì)測得釋放 的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。這種方法具有較好的精度， 因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的殘余應(yīng)力測試方法。 尺寸精度穩(wěn)定法尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定期對構(gòu)件尺寸精度的測量來實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi) 容：一方面是觀測構(gòu)件尺寸精度隨時(shí)間而發(fā)生的變化量，與熱時(shí)效或精度允差相 比較；另一方面是要觀察構(gòu)件在靜、動(dòng)載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳 統(tǒng)工藝（熱時(shí)效）相

9、比，以鑒定振動(dòng)時(shí)效工藝的可行性。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）檢測工件表面及內(nèi)部的綜合殘余應(yīng)力變化量。（2）檢測工件在接受某種時(shí)效處理前后的殘余應(yīng)力變化量，以運(yùn)算其應(yīng)力消除 率。三、實(shí)驗(yàn)原理目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔， 使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周 位的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。 鉆孔的 直徑和深度都不大，不會(huì)影響被測構(gòu)件的正常使用。并且這種方法具有較高的精 度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的方法。（一）理論公式的推導(dǎo)當(dāng)殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布比較均勻時(shí)， 可采用一次鉆孔法測量殘余應(yīng)力 的量值。用

10、圖3.6表示被測點(diǎn)o附近的應(yīng)力狀態(tài)：b 1和b2為。點(diǎn)的殘余主應(yīng)力。在距 被測點(diǎn)半徑為r的P點(diǎn)處，b r和b t分 別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。 并且b r和b1的火角為巾。根據(jù)彈性力學(xué)原理可得P點(diǎn)的原有殘余應(yīng)力b ' r和b ' t與殘余主應(yīng)力。1 和b 2的關(guān)系如式（4）。鉆孔法測殘余應(yīng)力時(shí)，要在被測點(diǎn)。處鉆一半徑為a的小孔以釋放應(yīng)力。由 彈性力學(xué)可知，鉆孔后P點(diǎn)處的應(yīng)力b r和b t分別為式（5）尻二罕j上土*院CT；="頊” + 口 2 叱 cqs2. j*罕（】一寺）十 土里（華琴一學(xué)） 個(gè)耳,§）-牛頃中夸）8再鉆孔后，P點(diǎn)應(yīng)力簿放置為；（

11、Tr = CTr - Cr O 二席 _ CT； 將式（4）和5）代入得S - 227一_ ）0 - ct2）gs"'K 二至丁 0 十S） T * -fZ （1-2）COS20J上式中表明了 P點(diǎn)的應(yīng)力變化與測點(diǎn)。處的殘余應(yīng)力5和CT宓間的對應(yīng)關(guān)系o在實(shí)際測 童時(shí)是在F點(diǎn)貼應(yīng)變計(jì)，并在P點(diǎn)鉆孔而測得釋放應(yīng)變Er，且有；勺二-（0，- “卬） 將C7）式代入上式即得出P點(diǎn)處徑向應(yīng)變冒與殘余主應(yīng)力叫和改的關(guān)系式】&二-普,如"）十普仔.gQ-#）-烏（形）匚。瞬但因同變片的長度為L=r2-rH所測應(yīng)變*應(yīng)是L內(nèi)的平均應(yīng)變值，叩dr將W）式代入上式積分可得；_

12、1+我,政易/-甘,磕令虹_ （】十時(shí)湛 E =編=疽F Q+俱）孑C T，+育烏H饋， 沖 - vTLCW)則（9）式可簡化為 少二-會(huì)（5叫）+ 是煩1一巧）時(shí)展。在一般情況下，主應(yīng)力方向是未知的則上式中含有三個(gè)未知數(shù)b 1, b 2和中。如果在與主應(yīng)力成任意角 的中1,2,3三個(gè)方向上貼應(yīng)變片，由上式可得三個(gè)方程，即可求出。1, b2和中來。為了計(jì)算方便，三個(gè)應(yīng)變片之間的 火角采用標(biāo)準(zhǔn)角度，如 中，中+45° ,中+90° ,這樣測得的三個(gè)應(yīng)變分別為c 0, £ 45 和 £ 90 即：二Si+口芝E-舟)£。血"、A£

13、;(11)(12)際=(GT1 + CT2+ (cr1-CT2)coii2(/>+450) >七曠魯 （ctj+Oj）+（5-既）匚。成（玖十90°.）如果三個(gè)應(yīng)變片都準(zhǔn)確的貼在同一圓周上，則有：0 二 X45 =刃90= 乂A） - 5 = A。二 B對（11）式聯(lián)立求解，得3 代。+ 湖）J- 標(biāo)件 +（E如-標(biāo)）W - 勺+%。-我 45在有些情況下，公式（12）將會(huì)有所變化：1. 如果被測點(diǎn)的殘余應(yīng)力是單向應(yīng)力狀態(tài)，只要在應(yīng)力方向上貼一應(yīng)變片，鉆孔后即可測出應(yīng)變c o,把中=0, b 2=0代入（11）式得2. 如果殘余應(yīng)力b 1和b 2的方向已知，則可沿兩個(gè)主應(yīng)

14、力方向貼一應(yīng)變片，如 圖3.7所示，=0和=90。則由（11）式可得：AB+ y （沔-如）解以上兩個(gè)方程，得胃。皿蠟勺+馬）十士（勺- &）音（13）3. 在主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力場中，有時(shí)也使用如圖3. 8所示的三軸6。應(yīng)變花來測量則可由下式計(jì)算殘余應(yīng)力及方司蠣（明+&的+汕）士矗（句+&或七）*1 知-%p14Jtg2=T= 7。3 句-p（£q+£-&（）+ VX"公式（12）是通過彈性力學(xué)理論推倒而來的，式中的 A、B值是通過計(jì)算得到的。 因此上述方法被稱做理論公式法。還有一種方法就是通過在拉伸試件上標(biāo)定釋放 應(yīng)變與應(yīng)力

15、的比例系數(shù)后，再計(jì)算殘余應(yīng)力，這種方法稱做實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法。（二）實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法如圖3.9所示，在距孔心r處貼片。為消除邊緣效應(yīng)的影響，取寬度 b大于 a的4-5倍的試件。在材料試驗(yàn)機(jī)上將沒有鉆孔的試件逐級加載，計(jì)算出試件的 應(yīng)力。，測出各級荷載下的應(yīng)變£ ' 1和£ ' 2。然后取下試件用專用設(shè)備在試 件指定部位上?？缀?，再重新拉伸，并測出專孔后的應(yīng)變值& 1和/' 2。圖3.9標(biāo)定試件貼片圖將兩種情況下同一級荷栽產(chǎn)生的應(yīng)變差求出后可見，鉆孔前后的應(yīng)變差與應(yīng)力成正比，即：（15） 所以有，3備|翌二陋與二E吝J"6式中，壇和度是比例系數(shù)檔和

16、就是鉆孔前后同一級荷載下的應(yīng)變差。測試時(shí)可沿殘余應(yīng)力方向各貼一片應(yīng)變片.位置及鉆孔直徑與試件相 同，鉆孔后測得釋放應(yīng)變?yōu)樯缀碗U(xiǎn),根據(jù)疊加原理有：=奇U罕（K同+11應(yīng)契）Q7）由（直）得，一電"品礦s+g）將（19）式代入斗#KA + BWi+U-B'）a）（云）若令，KZ+H. -uK,= A- F街）（17）式得到*段=+3+町陞+（&-）？（20）由（20）式得到殘余應(yīng)力的主應(yīng)力為:（21）"孚?。ㄋ囀繣 士點(diǎn)（-邑2）（21）式與（13）式具有完全相同的形式，它說明標(biāo)定法得到的 A' ,B'相當(dāng)于 理論公式中的A,B。因此只要通過標(biāo)定

17、法測得 A'和B'后代入公式（12）中， 即可得到主應(yīng)力方向未知的測點(diǎn)的殘余應(yīng)力 b 1和b 2及其夾角中的數(shù)值。當(dāng)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力沿厚度分布不均勻時(shí)， 可采用分層鉆孔法求得各深度的殘余 應(yīng)力。其方法是：等深度地逐層鉆孔測定每次的應(yīng)力釋放量。 如果已知主應(yīng)力的 方向，則有：房二（K滬膈分血堪禎歸j上式中，瑋 誠為第i房的殘余應(yīng)力值；Kb琨為第i層標(biāo)定的比例系數(shù)，林，涉為第i房鉆孔時(shí)應(yīng)變片釋放的應(yīng)變量值.標(biāo)定試件材料及厚度必須與被測件相同,如果被測件厚度很厚，試件厚度只（23）取50皿即可如果被測點(diǎn)主應(yīng)力方向未知?jiǎng)t可用公式（12）來進(jìn)行計(jì)算， 咨* 矗（功+ Eg。）士碎嘉J隹。

18、- £如傳+（曲Q-注尹 十而-曲_+ £90-?吐 g 諾F一式中，為笫i層的殘余應(yīng)力晚域總 分別為零 層鉆孔時(shí)底獰E三個(gè)方向的應(yīng)變測量值;4砰是通過標(biāo)定得到對和K?后由公式（19）計(jì)算出來的第i層的值:被測點(diǎn)鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計(jì)所測出的釋放應(yīng)變值很 小，必須采用高精度的應(yīng)變計(jì)。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產(chǎn)生誤 差的各種因素，其中最主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)， 還有應(yīng)變測試誤差。 一般來說鉆孔深度h > 2a即可。(三) 鉆孔設(shè)備及鉆孔要求(1).鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單，便丁攜帶，易丁固定在構(gòu)件上，同時(shí)要求 對中方便，鉆孔深度易

19、丁控制，并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖，這種鉆具能較好地實(shí)現(xiàn)上述要求，借助4個(gè)可調(diào)節(jié)X、Y方向的位置和上、下位置，以保持鉆孔垂直丁工件表面，用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行 鉆孔。圖 3.101. 放大鏡2 ,套筒3.冶v方向調(diào)整螺絲4-支架高度調(diào)整螺母5. 粘接墊6, 直角應(yīng)變片萬向節(jié)8. 鉆桿9. 鉆頭(2).鉆孔的技術(shù)要求： 被測表面的處理要符合應(yīng)變測量的技術(shù)要求，直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地 粘貼在測點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。 鉆孔時(shí)要保證鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在土0.025 mm以內(nèi)。 鉆孔時(shí)要穩(wěn)，機(jī)座不能抖動(dòng)。鉆孔速度要低

20、，鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度 漂移，孔周切削應(yīng)變增大使測量不穩(wěn)定。 為消除切削應(yīng)變的影響，可先采用小鉆 頭鉆孔然后再用鐵刀洗孔。如果無法使用小孔鉆，可以使用噴沙打孔法打一盲孔，噴沙打孔的方法就是 利用壓縮空氣帶動(dòng)A12O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對準(zhǔn)應(yīng)變花中心打孔標(biāo) 志，噴吹表面而得一盲孔。這種方法實(shí)際上是一種磨削過程，其產(chǎn)生的熱量由氣 流冷卻，加之切削量很小，因此打孔時(shí)引起的附加應(yīng)力較小， 噴沙打孔法的測量 精度較高。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、準(zhǔn)備檢測器材：靜態(tài)應(yīng)變儀，三根信號線，一根信號補(bǔ)償線，打孔裝置，鉆頭、手持式磨光機(jī)，直角應(yīng)變片，瞬間黏合劑(502或406),乙醇活潔劑, 棉球，粗砂皮，精細(xì)砂紙，剪刀，鑲子，電烙鐵，接線端子，穩(wěn)壓電源，數(shù) 據(jù)記錄卡，示意圖繪制卡，常用工具箱。2、調(diào)整工件位置及整理現(xiàn)場環(huán)境，保證檢測試驗(yàn)的精度。3、選擇應(yīng)力測試點(diǎn)，一般選 610個(gè)點(diǎn)。4、打磨測試點(diǎn)。先用砂輪進(jìn)行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用細(xì)砂紙精 打磨，確保表面光滑。5、用乙醇活潔劑活潔測試點(diǎn)；6、使用瞬間黏合劑粘貼應(yīng)變片并按緊，貼片后在示意圖卡上繪出工件上各點(diǎn)位置。（每個(gè)測試點(diǎn)分開貼兩個(gè)應(yīng)變片，分兩組檢測，振前測試第一組測試點(diǎn)中的一個(gè)應(yīng)變片，振后測試第二組）7、將測試線輕輕拉起，