盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力

-.z.關(guān)于構(gòu)件的剩余應(yīng)力檢測(cè)〔盲孔法檢測(cè)〕一、前言〔1〕應(yīng)力概念通常講，一個(gè)物體，在沒(méi)有外力和外力矩作用、溫度到達(dá)平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做應(yīng)力。按照德國(guó)學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，應(yīng)力分為三類：第Ⅰ類應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域〔很多晶?！常⒃谡麄€(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第Ⅰ類應(yīng)力平衡和力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。第Ⅱ類應(yīng)力是存在于較小圍〔一個(gè)晶?；蚓Я２康膮^(qū)域〕的應(yīng)力。第Ⅲ類應(yīng)力是存在于極小圍〔幾個(gè)原子間距〕的應(yīng)力。在工程上通常所說(shuō)的剩余應(yīng)力就是第Ⅰ類應(yīng)力。到目前為止，第Ⅰ類應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)最為完善，它們對(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)生剩余應(yīng)力的工藝過(guò)程來(lái)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，而且一般指的都是第Ⅰ類應(yīng)力?！?〕應(yīng)力作用機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的剩余應(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)?、分布合理的剩余壓?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)氖Ｓ鄳?yīng)力那么會(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(kāi)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(guò)程往往都會(huì)產(chǎn)生剩余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生剩余應(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)其使用性能不利的剩余拉應(yīng)力，有時(shí)還可以引入有益的剩余壓應(yīng)力分布，這就是剩余應(yīng)力的調(diào)整問(wèn)題。通常調(diào)整剩余應(yīng)力的方法有：①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，使剩余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過(guò)一年自然時(shí)效的工件，剩余應(yīng)力僅下降2%～10%，但工件的松弛剛度得到了較提高，因而工件的尺寸穩(wěn)定性很好。但由于時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一般不采用。②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℃進(jìn)展較長(zhǎng)時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形使應(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)常可以消除剩余應(yīng)力的70～80%，但是它有工件材料外表氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。③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，松弛剩余應(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，從而使剩余應(yīng)力得到釋放，以到達(dá)降低和調(diào)整剩余應(yīng)力的目的。其特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用圍廣、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年代從興旺國(guó)家引進(jìn)后在國(guó)被大力推廣。④靜態(tài)過(guò)載法靜態(tài)過(guò)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(lái)應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除剩余應(yīng)力。靜態(tài)過(guò)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(guò)載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的剩余應(yīng)力。⑤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)展快速加熱，使加熱過(guò)程中造成的熱應(yīng)力正好與剩余應(yīng)力疊加，超過(guò)材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始剩余應(yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。⑥超聲波時(shí)效法超聲波時(shí)效法首先在前聯(lián)誕生，并在興旺國(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?！?〕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)工件中剩余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對(duì)剩余應(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。①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)是剩余應(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(guò)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(guò)程。通常在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過(guò)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(cè)試法，并按/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)中第4.1條款或/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)中的第6.2條款驗(yàn)收來(lái)實(shí)現(xiàn)。A、幅頻特性曲線掃描法在振動(dòng)處理過(guò)程中隨著剩余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的阻尼減小，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)展的，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(huà)出振幅隨時(shí)間變化的曲線。這種方法既可以通過(guò)振幅的變化來(lái)控制振動(dòng)處理的有效時(shí)間，又可通過(guò)振幅的變化量來(lái)檢測(cè)剩余應(yīng)力的變化情況。②盲孔法應(yīng)用較為廣泛的剩余應(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)力得到局部或全部釋放，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)算出剩余應(yīng)力來(lái)。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應(yīng)用比擬廣泛的剩余應(yīng)力測(cè)試方法。③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(lái)實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面容：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)效或精度允差相比擬；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)康摹?〕檢測(cè)工件外表及部的綜合剩余應(yīng)力變化量?！?〕檢測(cè)工件在承受某種時(shí)效處理前后的剩余應(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)用的較多的剩余應(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)算出剩余應(yīng)力來(lái)。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)用比擬廣泛的方法?！惨弧忱碚摴降耐茖?dǎo)當(dāng)剩余應(yīng)力沿厚度方向的分布比擬均勻時(shí)，可采用一次鉆孔法測(cè)量剩余應(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)：σ1和σ2為о點(diǎn)的剩余主應(yīng)力。在距被測(cè)點(diǎn)半徑為r的Р點(diǎn)處，σr和σt分別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。并且σr和σ1的夾角為ф。根據(jù)彈性力學(xué)原理可得P點(diǎn)的原有剩余應(yīng)力σ′r和σ′t與剩余主應(yīng)力σ1和σ2的關(guān)系如式〔4〕。鉆孔法測(cè)剩余應(yīng)力時(shí)，要在被測(cè)點(diǎn)о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σ″r和σ″t分別為式〔5〕在一般情況下，主應(yīng)力方向是未知的那么上式中含有三個(gè)未知數(shù)σ1，σ2和Ф。如果在與主應(yīng)力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三個(gè)方向上貼應(yīng)變片，由上式可得三個(gè)方程，即可求出σ1，σ2和Ф來(lái)。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Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測(cè)得的三個(gè)應(yīng)變分別為ε0，ε45和ε90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)的剩余應(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?chǔ)舘，把Ф=0,σ2=0代入〔11〕式得2.如果剩余應(yīng)力σ1和σ2的方向，那么可沿兩個(gè)主應(yīng)力方向貼一應(yīng)變片，如圖3.7所示，Φ=0和Φ=90。那么由〔11〕式可得：公式〔12〕是通過(guò)彈性力學(xué)理論推倒而來(lái)的，式中的A、B值是通過(guò)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(guò)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)算剩余應(yīng)力，這種方法稱做實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法?！捕硨?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(méi)有鉆孔的試件逐級(jí)加載，計(jì)算出試件的應(yīng)力σ，測(cè)出各級(jí)荷載下的應(yīng)變?chǔ)拧?和ε′2。然后取下試件用專用設(shè)備在試件指定部位上專孔后，再重新拉伸，并測(cè)出?？缀蟮膽?yīng)變值ε″1和ε″2。將兩種情況下同一級(jí)荷栽產(chǎn)生的應(yīng)變差求出后可見(jiàn)，鉆孔前后的應(yīng)變差與應(yīng)力成正比，即：〔21〕式與〔13〕式具有完全一樣的形式，它說(shuō)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(guò)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)的剩余應(yīng)力σ1和σ2及其夾角Ф的數(shù)值。當(dāng)構(gòu)件中的剩余應(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剩余應(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。如果主應(yīng)力的方向，那么有：被測(cè)點(diǎn)鉆一小孔只能使剩余應(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(lái)說(shuō)鉆孔深度h≥2a即可?！踩炽@孔設(shè)備及鉆孔要求〔1〕.鉆孔設(shè)備的構(gòu)造應(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為小孔鉆的構(gòu)造圖，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外表，用萬(wàn)向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。〔2〕.鉆孔的技術(shù)要求：①被測(cè)外表的處理要符合應(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。②鉆孔時(shí)要保證鉆桿與測(cè)量外表垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在±0.025mm以。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。如果無(wú)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)Al2O3或SiO2粉末，通過(guò)回轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花中心打孔標(biāo)志，噴吹外表而得一盲孔。這種方法實(shí)際上是一種磨削過(guò)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〕，乙醇清潔劑，棉球，粗砂皮，精細(xì)砂紙，剪刀，鑷子，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。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。選擇應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，一般選6~10個(gè)點(diǎn)。打磨測(cè)試點(diǎn)。先用砂輪進(jìn)展外表粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用細(xì)砂紙精打磨，確保外表光滑。用乙醇清潔劑清潔測(cè)試點(diǎn)；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?！裁總€(gè)測(cè)試點(diǎn)分開(kāi)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〕將測(cè)試線輕輕拉起，小心拉斷，使測(cè)試先不與構(gòu)件接觸粘貼接線端子〔每點(diǎn)三個(gè)方向〕將測(cè)試先焊于接線端子上0°、45°、90°〔每個(gè)角度有兩根測(cè)試線〕10、將剩余的測(cè)試線剪斷11、接數(shù)據(jù)線0°接在CH1上的A、B45°接在CH2上的A、B90°接在CH3上的A、B補(bǔ)償線接在另外某一點(diǎn)的A、B12、電烙鐵焊接數(shù)據(jù)線將0°，45°，90°數(shù)據(jù)線焊于對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)，接線端子上將補(bǔ)償線暫時(shí)焊接在一快不用的接線端子上〔當(dāng)測(cè)試此點(diǎn)時(shí)，將補(bǔ)償線換一位置焊好〕13、將靜態(tài)應(yīng)變儀清零，通道1，2，3，〔單點(diǎn)平衡〕14、將打孔裝置接入到穩(wěn)壓電源24伏，手持鉆槍保持平衡、勻速的鉆入〔須鉆在測(cè)試片中心〕15、鉆孔同時(shí)由助手觀察并記錄，靜態(tài)應(yīng)變儀記錄振前值。依次記錄每個(gè)孔的振前應(yīng)變值。16、起振，對(duì)被測(cè)工件進(jìn)展振動(dòng)時(shí)效處理。17、處理完畢，再對(duì)各點(diǎn)的第二組應(yīng)變片進(jìn)展打孔檢測(cè)數(shù)值。18、記錄振后應(yīng)變數(shù)值；1