殘余應(yīng)力測(cè)定方法

1、第二章 殘余應(yīng)力測(cè)定方法殘余應(yīng)力的測(cè)定方法大致可分為機(jī)械測(cè)量法和物理測(cè)量法兩類。物理測(cè)量法包括X射線法、磁性法、和超聲波法等。它們分別利用晶體的X射線衍射現(xiàn)象.材料在應(yīng)力作用下的磁性變化和超聲效應(yīng)來求得殘余應(yīng)力的量值。它們是無損的測(cè)量方法。其中X射線法使用較多，比較成熟，被認(rèn)為是物理測(cè)量法中較為精確的一種測(cè)量方法。磁彈性法和超聲波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地認(rèn)為是有發(fā)展前途的兩種測(cè)試方法。物理法的測(cè)試設(shè)備復(fù)雜.昂貴.精度不高。特別是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，都有一定的局限性和困難。機(jī)械方法包括切割法、套環(huán)法和鉆孔法（下面主要介紹）等，它是把被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力給予釋放，并采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)測(cè)出釋放應(yīng)變

2、而計(jì)算出原有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的釋放方法是通過機(jī)械切割分離或鉆一盲孔等方法，因此它是一種破壞性或半破壞性的測(cè)量方法，但它具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。從兩類方法的測(cè)試功能來說，機(jī)械方法以測(cè)試宏觀殘余應(yīng)力為目的，而物理方法則測(cè)試宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力的綜合值。因此兩種方法測(cè)試的結(jié)果一般來說是有區(qū)別的。一、分離法測(cè)量殘余應(yīng)力切割法和套環(huán)法都是將被測(cè)點(diǎn)與其鄰近部分分開以釋放殘余應(yīng)力，因此統(tǒng)稱分離法。它是測(cè)量殘余應(yīng)力的一種最簡(jiǎn)單的方法，多用于測(cè)量表面殘余應(yīng)力或沿厚度方向應(yīng)力變化較小的構(gòu)件上的殘余應(yīng)力。（一）、切割法： 在欲測(cè)部位劃線：劃出20mm×20mm的方格將測(cè)點(diǎn)圍在正中。在方格內(nèi)一定方向上貼應(yīng)變計(jì)

3、和應(yīng)變花，再將應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變儀相連，通電調(diào)平。然后用銑床或手鋸慢速切割方格線，使被測(cè)點(diǎn)與周圍部分分離開。切割后，再測(cè)應(yīng)變計(jì)得到的釋放應(yīng)變。它與構(gòu)件原有應(yīng)變量值相同、符號(hào)相反，因此計(jì)算應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將所得值乘以負(fù)號(hào)。釋放后的殘余應(yīng)力計(jì)算方法如下： 1、如果已知構(gòu)件的殘余應(yīng)力為單向應(yīng)力狀態(tài)，只要在主應(yīng)力方向貼一個(gè)應(yīng)變片（如圖3.1）即可。分割后得釋放應(yīng)變，由虎克定律可知其殘余應(yīng)力為 ： =-E （1） 2、如果構(gòu)件上殘余應(yīng)力方向已知，則在測(cè)點(diǎn)處沿主應(yīng)力方向粘貼兩個(gè)應(yīng)變片1和2（如圖3.2所示）。分割構(gòu)件后測(cè)出1和 2，計(jì)算殘余主應(yīng)力為：3、如圖被測(cè)點(diǎn)殘余主應(yīng)力方向未知，則需貼三向應(yīng)變花（如圖3.3所示）

4、。連接應(yīng)變儀調(diào)平后，沿虛線切割開，觀察應(yīng)變儀，直到切割處溫度下降到常溫時(shí)，測(cè)出再按（3）公式計(jì)算出主應(yīng)力及其方向來。 （二）、套環(huán)法：在一些大型構(gòu)件上，切割法有時(shí)難于進(jìn)行，這時(shí)可采用套環(huán)法進(jìn)行分離。其原理及貼片方法與切割法相同，但分離的技術(shù)不同于切割法。先以被測(cè)點(diǎn)為圓心，劃半徑為15mm的圓，然后在圓內(nèi)貼片并調(diào)平應(yīng)變儀。再用小型鉆床（3mm的鉆頭）或手電鉆在圓周線上連續(xù)鉆孔，孔深約10mm左右。相鄰孔間要鉆通，使被測(cè)點(diǎn)與周圍分割開來，如圖3.4所示。套環(huán)法的應(yīng)變計(jì)布置和公式均與切割法相同。（三）、切割法與套環(huán)法的對(duì)比試驗(yàn) ： 圖3.5是一厚度為14mm的雙焊道板梁。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱兩焊道中間部分沿

5、中心線上殘余應(yīng)力分布基本上是相同的，且方向是已知的。沿長(zhǎng)度方向做12等份做為殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)。其中單號(hào)點(diǎn)采用套環(huán)法，雙號(hào)采用切割法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。表3.1給出測(cè)得的各點(diǎn)殘余應(yīng)力值。不難看出切割法與套環(huán)法測(cè)得的結(jié)果基本相同，數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性，分散度較小。相對(duì)于其他方法來說，切割法和套環(huán)法具有較好的穩(wěn)定性和較高的精度，適用于在允許局部破壞的構(gòu)件上測(cè)殘余應(yīng)力。在進(jìn)行切割或鉆環(huán)孔時(shí)，要求刀具要鋒利，加工速度要慢，以避免產(chǎn)生塑性變形和使工件發(fā)熱。表3.1切割法和套環(huán)法測(cè)值比較表（10MPa）方法 測(cè)值 測(cè)點(diǎn) 1 2 3 4 5 6套環(huán)法縱向1-14.10-14.37-14.29-13.95-14.3

6、6-14.28橫向20.014-1.84-1.02-0.67-0.44-0.82切割法縱向1-14.51-14.30-14.41-14.22-14.41-14.84橫向20.25-1.84-1.08-0.70-0.39-0.75二 、盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力切割法和套環(huán)法測(cè)量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，因此目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測(cè)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(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周圍的應(yīng)變計(jì)測(cè)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(cè)構(gòu)件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度，因此它以成為應(yīng)用比較

7、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(cè)量殘余應(yīng)力的量值。用圖3.6表示被測(cè)點(diǎn)o附近的應(yīng)力狀態(tài)：1和2為o點(diǎn)的殘余主應(yīng)力。在距被測(cè)點(diǎn)半徑為r的P點(diǎn)處，r和t分別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。并且r和1的夾角為。根據(jù)彈性力學(xué)原理可得P點(diǎn)處原有殘余應(yīng)力r和t與殘余主應(yīng)力1和2的關(guān)系如式（4）鉆孔法測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)，要在被測(cè)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r和t分別為式（5） 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)1，2和。如果在與主應(yīng)力成任意角的1，2，3三個(gè)方向上貼應(yīng)變片， 由上式可得三個(gè)方程，

8、即可求出1，2和來。為了計(jì)算方便，三個(gè)應(yīng)變片之間的夾角采用標(biāo)準(zhǔn)角度，如，+45，+90，這樣測(cè)得的三個(gè)應(yīng)變分別為0，45和90即：在有些情況下，公式（12）將會(huì)有所變化：1、如果被測(cè)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(cè)出應(yīng)變o，把=0, 2=0代入（11）式得：2、如果殘余應(yīng)力1和2的方向已知，則可沿兩個(gè)主應(yīng)力方向貼一應(yīng)變片，如圖3.7所示，=0和=90 。則由（11）式可得：公式（12）是通過彈性力學(xué)理論推導(dǎo)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)力的比例系數(shù)后再計(jì)算殘余應(yīng)力，這種

9、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 大于孔徑a 45倍的試件。在材料試驗(yàn)機(jī)上將沒有鉆孔的試件逐級(jí)加載，計(jì)算出試件的應(yīng)力，測(cè)出各級(jí)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鉆孔后，再重新拉伸，并測(cè)出鉆孔后的應(yīng)變值1和2。將兩種情況下同一級(jí)荷載產(chǎn)生的應(yīng)變差求出可見，鉆孔前后的應(yīng)變差與應(yīng)力成正比， （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)定法測(cè)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(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力1和2及其夾角的數(shù)值。當(dāng)構(gòu)件中

10、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(cè)定每次的應(yīng)力釋放量。如果已知主應(yīng)力的方向，則有： 被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試誤差。一般來說鉆孔深度 h 2a 即可。（三）、鉆孔設(shè)備及鉆孔要求鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時(shí)要求對(duì)中方便，鉆孔深度易于控制，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)螺絲

11、可調(diào)節(jié)X . Y 軸方向的位置和上. 下位置，可以保證鉆孔垂直于工件表面，用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。鉆孔的技術(shù)要求：1、被測(cè)表面的處理要符合應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)要求，應(yīng)變花應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地粘貼在測(cè)點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。 2、鉆孔時(shí)要保證鉆桿與測(cè)量表面垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在±0.025 mm以內(nèi)。3、鉆孔時(shí)要穩(wěn)，機(jī)座不能抖動(dòng)。鉆孔速度要低，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?cè)龃笫箿y(cè)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銑刀洗孔。以上是盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的具體方法，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

12、孔的方法就是利用壓縮空氣帶動(dòng)Al2O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)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(cè)量精度較高。三、X射線法： X射線應(yīng)力測(cè)定方法的基本原理，是利用X射線穿透晶粒時(shí)產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，在彈性應(yīng)變作用下，引起晶格間距變化，使衍射條紋產(chǎn)生位移，根據(jù)位移的變化即可計(jì)算出應(yīng)力來。X射線法測(cè)定應(yīng)力的特點(diǎn)：1、它是一種無損的應(yīng)力測(cè)試方法。它測(cè)量的僅僅是彈性應(yīng)變而不包含塑性應(yīng)變（因?yàn)楣ぜ苄宰冃螘r(shí)晶面間距并不改變，不會(huì)引起衍射線的位移）。2、被測(cè)面直徑可以小到12mm。因

13、此可以用于研究一點(diǎn)的應(yīng)力和梯度變化較大的應(yīng)力分布。3.由于穿透能力的限制，一般只能測(cè)深度在10um左右的應(yīng)力，所以只是表面應(yīng)力。4.對(duì)于能給出清晰衍射峰的材料，例如退火后細(xì)晶粒材料，本方法可達(dá)10MPa的精度，但對(duì)于淬火硬化或冷加工材料，其測(cè)量誤差將增大許多倍。關(guān)于殘余應(yīng)力的X射線測(cè)定法，有許多專著進(jìn)行了詳細(xì)的論述，這里只簡(jiǎn)要說明一下它的基本原理。通過布拉格實(shí)驗(yàn)可知，晶面對(duì)X光的反射如同鏡面對(duì)可見光的反射一樣，它們都遵守反射定律，入射角與反射角相等。而X射線只有以某種特定的角度入射時(shí)才能發(fā)生反射。這種反射就是晶體對(duì)X射線的衍射，同可見光的衍射是一個(gè)道理。X光的特點(diǎn)在于它可穿透晶體內(nèi)部，同時(shí)在許多相互平行的晶面上發(fā)生反射，而只有當(dāng)這些反射線互相干涉加強(qiáng)時(shí)，才能真正產(chǎn)生出反射線來。其條件應(yīng)當(dāng)是各晶面反射線的光程差等于波長(zhǎng)的整倍數(shù)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)反射。如圖3.12所示，d為晶面間距，為入射角和反射角。有前