殘余應力的測量技術

殘余應力的測量技術

1熱加工處理的殘余應力剩余力是指材料及其產(chǎn)品在機械加工和精煉過程中產(chǎn)生的平衡材料及其產(chǎn)品的力。在各種機械和鋼結構制造過程中,特別是經(jīng)過焊接等熱加工處理,無法避免地會在結構內部造成很大的殘余應力。加工后的殘余應力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學性能,同時也會對材料的物理機械性能產(chǎn)生巨大影響,對結構的強度造成很大危害,歷史上許多災難性破壞事故大多是由結構中的殘余應力引起。因此,研究和測量構件中殘余應力對生產(chǎn)和科學試驗有著重大的意義。2殘余應力的測量殘余應力的測量技術始于20世紀30年代,發(fā)展至今共形成了數(shù)十種測量方法。殘余應力的測量方法可分為機械釋放測量法和非破壞無損傷測量法兩種。機械釋放測量法,是將具有殘余應力的部件從構件中分離或切割出來使應力釋放,然后測量其應變的變化求出殘余應力。它主要包括鉆孔法、分割切條法釋放法、逐層銑削法等。其優(yōu)點是測量的精度較高,但對構件的損傷較大。非破壞性方法,包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法、電子散斑干涉法等。它對被測構件無損害,但成本較高。目前,國內外常用測定殘余應力的方法和原理如下:2.1殘余應力的測量1)鉆孔法:這種方法的測量精度高,對構件的破壞性小,操作簡單方便,在工業(yè)實際中得到廣泛的應用。在直徑d0的鉆孔外側有一直徑為d的圓環(huán),并在圓環(huán)上設置測點,與x軸成α角,其釋放的徑向應變εx和εy與鉆孔釋放的殘余應力之間的關系,可按帶孔無限板的彈性理論,同時承受雙軸膜應力σx和σy的條件求解。為了確定未知的雙軸殘余應力,可采用3個應變片組成的應變花,其方法原理如下:鉆孔法測量殘余應力的原理是采用特制的箔式應變花粘貼在預測工件的表面上,在應變花中心鉆一小孔,產(chǎn)生局部應力釋放,應變片感受出應變變化,該應變稱為釋放應變,可由連接各個應變片的應變儀測讀出來,通過彈性力學公式可得到在孔深范圍內的平均主應力(σ1σ2)和主應力方向角(θ)。2)切條法:很多情況下可以假設殘余應力主要是單軸作用的,在要測量的殘余應力的方向,把構件切成大量的窄條,并由釋放的應變求得應力,σx=-Eεx?？捎娩彈l進行切條,釋放應變由可拆御的應變計或粘貼的電阻應變計測量。雙軸殘余應力的確定是不可缺少的技術,在切條法中,給出相互垂直的x和y方向要測量的正應力σx和σy,假定在板厚方向應力不變,測量基線或應變計通常設置在板兩側,然后把板切成若干方塊,殘余應力σx和σy可由釋放的應變εx和εy求得:在確定整個平面應力狀態(tài)時至少需要3個測量方向,可采用由3個應變片組成的應變花,其原理與鉆孔法相似。3)逐層銑削法:是采用銑、研磨拋光、腐蝕、電解腐蝕或電火花剝蝕等對已磨削表面進行剝層,使表面殘余應力釋放,引起試件產(chǎn)生變形,由此變形量的大小,再根據(jù)彈性理論可以推算出被削層內的應力。這種方法的優(yōu)點是可以測定厚度上梯度較大的內應力。2.2殘余應力的測量1)X射線衍射法:X射線對晶體晶格的衍射發(fā)生干涉現(xiàn)象,可求出晶格的面間距,并確定殘余應力。由于X射線的穿透深度極淺,它只能在表層深度30μm左右的范圍測量。它的優(yōu)點是可以測量出應力的絕對值。但該方法對試件表面要求十分嚴格,且設備昂貴,操作復雜。美國汽車工程師學會和日本材料學會都把X射線衍射法作為測量材料應力的標準使用。2)中子衍射法:它是一種測量構件內部殘余應力的常用方法。通過研究衍射束的峰值位置和強度,可獲應力或應變的數(shù)據(jù)。但中子的穿透深度比X射線大得多,可以用來測量焊接構件沿層深的殘余應力。由于材料中參與反射的區(qū)域較大,故中子衍射法可測定很大區(qū)域內基體中平均殘余應力。3)磁性法:利用磁致伸縮效應來測定應力,當應力變化時,由于物體的伸縮引起磁路中磁通的變化,并使感應器線圈的感應電流發(fā)生變化,由此變化可以測出應力的變化。它的最大特點是測量速度快,非接觸測量,適合現(xiàn)場,但測試結果受很多因素影響,可靠性和精度差,量值標定困難,對材質較敏感,且僅能用于鐵磁材料。磁性法都是需要外部激勵磁場來工作,因此帶來了磁化不均勻,設備笨重,消耗能源,剩磁和磁污染等問題。4)超聲波法:當沒有應力作用時,超聲波在各向同性的彈性體內傳播速度與有應力作用時傳播速度不同,利用超聲波波速與應力之間的關系來測量殘余應力。從理論上講,只要發(fā)射超聲波功率足夠大,可穿透任意厚度的工作,因此它適合測量大型構件的三維殘余應力,但測量精度低,只能測試高值殘余應力,該方法目前還處于試驗研究階段。5)電子散斑干涉法:它是一種激光干涉技術。當構件有應力作用時,材料表面產(chǎn)生形變,干涉條紋圖形即發(fā)生變化,通過干涉條紋的變化可知構件的應力變化情況。它只能測量構件表面的應力情況。測量時對抗震性要求很高,且在暗室條件下工作,工作環(huán)境受到很大的限制。6)金屬磁記憶法:這是一種新型的無損檢測方法,基本原理是記錄在工作載荷作用下設備和金屬結構局部應力集中區(qū)產(chǎn)生的漏磁場。磁記憶方法的特殊點在于,其原理是利用在工作載荷作用下形成的金屬穩(wěn)定位錯滑移帶區(qū)域中所產(chǎn)生的自有漏磁場,金屬磁記憶法兼有無損檢測功能和斷裂力學所提供的潛力。除了以上測量方法外,近年來有一批新的測試技術應用而生,如用屈服條件確定殘余應力,無損電測法,脆性涂層法,云紋法,反向疊加應力法,熱評估法,硬度法,數(shù)字散斑法以及壓良疊加應力測量法等,有時也可根據(jù)具體情況將各種測試方法綜合起來應用。3殘余應力消除應力主要特點由于構件中殘余應力的不良影響,科技人員針對構件中殘余應力的控制與消除做了大量的工作,一方面通過改善加工工藝參數(shù),盡量減小殘余應力,另一方面提出一些消除殘余應力的措施:1)局部低溫勢處理:對于焊接件而言,在焊縫近區(qū)兩側不太寬的范圍內加熱,及中間近區(qū)部位冷卻,造成一個溫差,使焊縫和近區(qū)的材料受到拉伸并達到塑性變形的程度,此塑性變形抵消焊接過程中的壓縮塑性變形,從而使焊縫近區(qū)拉伸殘余應力消除。2)磁振動消除殘余應力技術:將工件在固有頻率下進行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動處理,消除其殘余應力,獲得尺寸穩(wěn)定的一種方法,振動消除殘余應力就是用振動處理的方法來代替熱時效和自然時效,具有投資少、生產(chǎn)周期短、節(jié)約能源、降低成本、使用方便、效果顯著等特點。對于焊接殘余應力越高,振動時效處理降低應力越多,均化效果越好。3)爆炸法消除殘余應力:它是利用爆炸沖擊波的能量使樣品塑性變形,從而達到降低或消除殘余應力的目的。爆炸時可使金屬在拉伸殘余應力區(qū)產(chǎn)生伸長塑性變形,在壓縮殘余應力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形,兩種情況都可導致殘余應力的降低。4金屬基結構損傷的影響在確定金屬和金屬結構的殘余應力