殘余應(yīng)力檢測(cè)方法

1、關(guān)于構(gòu)件的殘余應(yīng)力檢測(cè)(盲孔法檢測(cè))(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(guó)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)力是存在于材料的較大區(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R類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍(一個(gè)晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域)的內(nèi)應(yīng)力。第田類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍(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)力的測(cè)量技術(shù)最為完善，它

2、們對(duì)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)慣于按產(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(duì)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(zhǎng)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，各種工藝過程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但

3、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(duì)工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對(duì)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)件置于室外，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2%-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。但由于時(shí)效時(shí)間過長(zhǎng)，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

4、中的退火技術(shù)，將工件加熱到500650c進(jìn)行較長(zhǎng)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。具特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用范圍廣、能源消耗少、設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)便，因此振動(dòng)時(shí)效在70年代從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)后在國(guó)內(nèi)

5、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)加載于構(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。用于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應(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

6、在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。(5)應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)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(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試方法總的分為兩大類。一類是定量測(cè)量：如盲孔法、X射線法、磁測(cè)法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是定性測(cè)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(cè)方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測(cè)試。但在振動(dòng)處理過程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜的測(cè)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

7、數(shù)曲線和振幅時(shí)間參數(shù)曲線測(cè)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(cè)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(jí))。采用頻率不變的同時(shí)畫出振幅隨時(shí)間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動(dòng)處理的有效時(shí)間，又可通過振幅的變化量來檢測(cè)殘余應(yīng)力的變化情況。盲孔法應(yīng)用較為廣泛的殘

8、余應(yīng)力測(cè)試方法是鉆盲孔法。就是在被測(cè)點(diǎn)上鉆一小孔，使被測(cè)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(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。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(cè)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(duì)構(gòu)件尺寸精度的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測(cè)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(cè)工件表面及內(nèi)部的綜合殘余應(yīng)力變化量。（2）檢測(cè)工件在接受某種時(shí)效處理前后

9、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(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，并由事先貼在孔周位的應(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(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)：61和62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，（rr和（H分別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

10、并且（rr和61的夾角為力。根據(jù)彈性力學(xué)原理可得P點(diǎn)的原有殘余應(yīng)力Jr和6't與殘余主應(yīng)力（r1和62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br和t分別為式（5）口;二號(hào)，8scr；二巧廣十巧2丐cqs2j父二學(xué)G一書）+3（”第一苓）儂244W（十片）-書）/鉆孔后.P點(diǎn)應(yīng)力釋放最為；（Tr=CTr-Cr】網(wǎng)二域-近6將式（4）和15）代入（6）得=-（口1+仃藝）+（4-）（仃_b2）口口32g、聲34卜口*二7r（“十叼T*（u%）s32eJ上式中表明了F點(diǎn)的應(yīng)力變化與測(cè)點(diǎn)。處的殘余應(yīng)力叫和仃比間的對(duì)應(yīng)

11、關(guān)系.在實(shí)際測(cè)量時(shí)是在F點(diǎn)貼應(yīng)變計(jì)，并在P點(diǎn)鉆孔而測(cè)得釋放應(yīng)變Er，且有;將1T）式代入上式即得出P點(diǎn)處徑向應(yīng)變Er與殘余主應(yīng)力叼和火的關(guān)系式二7二。十仃2）+/_|.gQ_&）_,口一仃2卜。區(qū)2但因應(yīng)變片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=r2-rH所測(cè)應(yīng)變彳應(yīng)是L內(nèi)的平均應(yīng)變值，即將18）式代入上式積分可得；l(crrcr2)cos2C9)經(jīng).上（吩層/十喈rm-E2他I1當(dāng)ETftL5至令觸一絲醇”232Q+tTJ+%!"將,Tlr2L4由丁仔CW)則（9）式可簡(jiǎn)化為二一含（bi+4）+-1（cr%）cg24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)（71,（72和。如果在與主應(yīng)

12、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，即可求出（71,（72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80,e45和e90即：跖二(6+口2)十辛(5-(72)8危0、豈£(11)(12)q廣微空(口1+6)+苧(cr1-cr£)coii2(/>+450)>（CTj+Oj）+（口仃之）coim2（0十9C|C.）3LI££如果三個(gè)應(yīng)變片都準(zhǔn)確的貼在同一圓周上，則有：X。二厘43=/叫=垓）二以5二%0二B對(duì)式聯(lián)立求解，得者（e°十

13、。鈍）4彳:/（=-沁產(chǎn)+（£如一沁）tg20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e0,把=0,62=0代入（11）式得2 .如果殘余應(yīng)力61和62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：AB典二-（口+。2）十=（3一仃2）運(yùn)二/91+?）-/9/）解以上兩個(gè)方程，得、心二方國(guó)十迨葉土（£的土（13）3 .在主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力場(chǎng)中，有時(shí)也使用如圖3.8所示的三軸6Q。應(yīng)變花來測(cè)量。則可由下式計(jì)算殘余應(yīng)力及方向，。"

14、;嗑（%+No+O土導(dǎo)/（與+2口汽廠笆yH,詠一?。o+皆-6（）+V/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(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?？缀?，再重新拉伸，并測(cè)出?？缀蟮膽?yīng)變值&1和e2。圖3,9標(biāo)定試件貼片圖將兩種情

15、況下同一級(jí)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(15)所以有，“藝Ka=E=-(16)正比，即：式中，Ki和電是比例系數(shù)，燈和盛是鉆孔前后同一級(jí)荷載下的應(yīng)變差。測(cè)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(cè)得釋放應(yīng)變?yōu)橄蚝停鶕?jù)疊加原理有工_E（1。由（17）得：.二七“-K”u添E1-K座%-uKiE（電力十口跖用）（瓦S+uK產(chǎn)J(若令瓦二犬+月'-uK,=A-F（20）(21)將（19）式代入，二/口或+B、）的+（£-B、）生（19）（式得到，3或+F）%+"y、）,）由（20）式得到殘余應(yīng)力的主應(yīng)力為:G二宗+（61

16、+忘力士吉（總L邕川（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,B0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（71和62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(cè)定每次的應(yīng)力釋放量。如果已知主應(yīng)力的方向，則有：匕帝察（沙國(guó)*喝土;步宣武E區(qū)破+必針j上式中，舁為第1層的殘余應(yīng)力值；4e為第i層標(biāo)定的比例系數(shù)；比破為第，后鉆孔時(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(cè)件相同口如果被測(cè)件厚

17、度很厚，試件厚度只取50皿即可。如果被測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力方向未知?jiǎng)t可用公式（12）來進(jìn)行計(jì)算:小二47tg20-j（Eo+E»）土應(yīng)冬備J（%一£才5產(chǎn)+（甚Q-/（就T麗-2或5一演（23）式中：心之為第i層的殘余應(yīng)力西.喘,備分別為零層鉆孔時(shí)底45、90r三個(gè)方向的應(yīng)變測(cè)量值;上講是通過標(biāo)定得到焉和©后由公式（19）計(jì)算出來的第i層的值.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>

18、;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(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)可調(diào)節(jié)X、Y方向的位置和上、下位置，以保持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。圖3.10鉆具示意圖L放大鏡2 ,套筒3 .凡p方向調(diào)整螺絲4-支架高度調(diào)整螺母反粘接墊6.直角應(yīng)變片X萬向節(jié)8 .鉆桿9 .鉆頭(2).鉆孔的技術(shù)要求：被測(cè)表面的處理要符合應(yīng)變測(cè)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(cè)點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵

19、。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)控制在土0.025mm以內(nèi)。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銃刀洗孔。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(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。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、準(zhǔn)備檢測(cè)器材：靜態(tài)應(yīng)變儀，三根信號(hào)線，一根信號(hào)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),乙醇清潔齊L棉球，粗砂皮，精細(xì)砂紙，剪刀，銀子，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(chǎng)環(huán)境，保證檢測(cè)試驗(yàn)的精度。3、選擇應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，一般選610個(gè)點(diǎn)。4、打磨測(cè)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、用乙醇清潔劑清潔測(cè)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(cè)試點(diǎn)分開貼兩個(gè)應(yīng)變片，分兩組檢測(cè)，振前測(cè)試第一組測(cè)試點(diǎn)中的一個(gè)應(yīng)變片，振后測(cè)試第二組）7、將測(cè)試線輕輕拉起，小