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收藏！殘余應(yīng)力檢測技術(shù)最全匯總，你不能不知道

來源：時間：2022-10-08 11:08:16 瀏覽：5678次

殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力因素消失(如：載荷去除、加工終止、溫度均勻、相變完成等)，但形變、體積變化仍不均勻，為保持平衡而在構(gòu)件內(nèi)部存留應(yīng)力。

殘余應(yīng)力是構(gòu)件力學(xué)性能最主要的影響因素之一，如拉伸殘余應(yīng)力會降低拉伸屈服極限、提高壓縮屈服極限，壓縮殘余應(yīng)力正好相反;宏觀殘余應(yīng)力會產(chǎn)生形變、并影響疲勞壽命，微觀殘余應(yīng)力導(dǎo)致組織內(nèi)產(chǎn)生微裂紋發(fā)生脆性破壞。

在服役過程中，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加容易產(chǎn)生二次變形和應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生變形、開裂、耐腐蝕性能及構(gòu)件整體穩(wěn)定性下降，如當交變荷載工作時區(qū)域應(yīng)力達到屈服點時會產(chǎn)生局部塑性變形;高溫工作條件下產(chǎn)生高溫蠕變開裂;腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

降低有害殘余應(yīng)力，預(yù)測殘余應(yīng)力分布趨勢和數(shù)值大小是十分必要的。本文對殘余應(yīng)力的測試方法按有損、無損兩類進行測試方進行介紹，分析比較了各種應(yīng)力測試方法的誤差來源及應(yīng)用的局限性，探討殘余應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展方向。

01

有損應(yīng)力測量法

1.1

盲孔法

盲孔法在1934年由德國學(xué)者MatharJ提出，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟。其原理就是在被測工件的表面貼上應(yīng)變花，并對工件打孔，孔周圍應(yīng)力松弛，而形成新的應(yīng)力/應(yīng)變場分布J；通過標定應(yīng)變釋放系數(shù)A、B，基于彈性力學(xué)原理可推算出工件原有殘余應(yīng)力及應(yīng)變。在3個應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變與板上殘余主應(yīng)力有如下關(guān)系：

式中：ε1、ε2和ε3，分別為由應(yīng)變片R，R2和R，所測得的釋放應(yīng)變;σ1，σ2為殘余主應(yīng)力;E為材料彈性模量;A、B為應(yīng)變釋放系數(shù),其可由彈性力學(xué)Kirsch理論解得出：

式中：E為彈性模量，u為泊松比，d為鉆孔直徑，rm為應(yīng)變片平均直徑。鉆孔過程中，孔壁經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和切斷過程，孔壁周圍產(chǎn)生附加應(yīng)力/應(yīng)變，附加應(yīng)力/應(yīng)變大小受孔徑、孔深、距離盲孔中心遠近的等因素的影響。盲孔法測殘余應(yīng)力時，鉆孔偏心、孔周圍塑性變形均會影響其測試精度)。測量位置的選取應(yīng)遵循以下原則：測量區(qū)域附近應(yīng)力梯度小;點間距在孔徑的15倍以上;選擇典型位置。

1.2

壓痕法

壓痕法是基于硬度測試原理發(fā)展起來的，是一種無損或微損的應(yīng)力測量技術(shù)。其原理是局部載荷作用下，存在內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件會因應(yīng)力疊加會產(chǎn)生位移和應(yīng)變，測量出位移△Z和應(yīng)變△ε，可推算出構(gòu)件原有表面殘余應(yīng)力(一般的壓痕直徑和深度為1.2mm×0.2mmm)。

壓痕法測定時需要注意的問題包括：壓痕測試區(qū)和周圍塑性應(yīng)變區(qū)控制，如果塑性應(yīng)變區(qū)完全與測試區(qū)重合，則影響測量結(jié)果，塑性區(qū)完全隔絕，則測試靈敏度下降;壓痕應(yīng)變增量與殘余應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系確立;標定實驗和模擬計算，確立應(yīng)變增量與材料特性之間的定量關(guān)系，以計算模擬代替標定。

1.3

切割法

切割法是將金屬沿變形平面切開，精確測量切割面的變形輪廓，然后將測試輪廓進行擬合，將擬合結(jié)果作為有限元模型的邊界條件進行彈性計算獲得了內(nèi)部垂直切割平面的應(yīng)力分布，可以得到切割面應(yīng)力的分布趨勢和特征，適用于大塊材料殘余應(yīng)力的定性測量。

切割法由于將結(jié)構(gòu)件破壞，殘余應(yīng)力釋放完全，測量精度高?？衫秒娮钁?yīng)變計測量釋放應(yīng)力，間接得到樣品內(nèi)的初始殘余應(yīng)力。

02

無損應(yīng)力測量法

2.1

超聲波法

超聲波法是通過超聲波在材料內(nèi)部的傳播特性，即拉應(yīng)力引起聲波傳播時間變長聲速變慢，壓應(yīng)力相反，利用應(yīng)力引起的聲雙折射效應(yīng)對應(yīng)力進行測量。應(yīng)力改變引起聲速變化很微小，100MPa大約只引起聲速0.1%的變化。臨界折射縱波(LCR)是折射角為90度時的折射縱波，其對應(yīng)力最敏感，應(yīng)片也最為廣泛。LCR波的應(yīng)力計算方法如下：

式中：t0、t為無應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)下聲波的傳播時間，Ki為聲彈性常數(shù)。超聲波穿透能力較強，可以無損檢測構(gòu)件內(nèi)部及表的殘余應(yīng)力，且超聲檢測儀器易于攜帶，可用于室外及現(xiàn)場測量。但超聲法在測量應(yīng)力時需做標定實驗，且受探頭與構(gòu)件之間聲耦合層厚度變化、構(gòu)件材料組織、環(huán)境溫度的影響。

2.2

磁性法

目前應(yīng)用的磁性方法有兩種：磁噪聲法和磁應(yīng)變法。磁噪聲法測量基本原理是利用鐵磁性物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)。應(yīng)力會導(dǎo)致鐵磁性材料疇壁間距的改變，從而影響巴克豪森(磁感應(yīng)強度B隨磁場強度H改變呈現(xiàn)不連續(xù)的跳躍)發(fā)射信號的強弱，其測量裝置如圖4所示。磁應(yīng)變法是利用材料的磁各向異性進行應(yīng)力測量，存在應(yīng)力時磁導(dǎo)率會發(fā)生相應(yīng)變化，測量時傳感器與材料表面構(gòu)成的磁回路磁阻變化，進而導(dǎo)致磁回路的磁通量發(fā)生變化，磁性應(yīng)變儀示意圖如圖5所示。

磁應(yīng)變法不能測大殘余應(yīng)力(大于300 MPa)，此時應(yīng)力與磁導(dǎo)率的關(guān)系呈非線性。磁性法設(shè)備小巧、測試步驟簡單、測量速度快，但難以直接測得多點應(yīng)力值，僅能測得單點處主應(yīng)力差與磁測參數(shù)間的定量關(guān)系，通過水平或垂直的勵磁方式來研究材料的磁特性和磁力間的關(guān)系，并建立與應(yīng)力之間的定性、定量關(guān)系是該領(lǐng)域的研究熱點。

該法測試材料種類僅限于測定如鋼、鐵等鐵磁性材料中的應(yīng)力;此外，與超聲波法一樣，磁性法雖可以測量材料內(nèi)部應(yīng)力，但測量結(jié)果受材料微觀結(jié)構(gòu)(空隙、空隙、裂紋等)干擾較大。后行業(yè)專家黃海鴻等人提出一種金屬磁記憶檢測技術(shù)，可以快速檢測到構(gòu)件的危險區(qū)域，并可通過磁記憶信號梯度值指示應(yīng)力集中情況。

2.3

X射線衍射法

X射線法是由俄國學(xué)者于1929年提出，經(jīng)過多年發(fā)展，理論與實際測定方法都較為成熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無損殘余應(yīng)力測試方法。

1、原理

X 射線衍射法測量殘余應(yīng)力是基于X 射線衍射理論。當一束波長為λ 的X 射線照射在晶體表面時，會在特定的角度(2θ)上接收到X 射線反射光的波峰，這就是X 射線衍射現(xiàn)象。其中衍射角2θ與 X射線的波長λ、衍射晶面間距d之間遵從著名的布拉格定律：2dsin?=nλ. 。

式中，K 為彈性常數(shù)，當入射線的波長選定之后(λ 一定)，通過測定衍射角θ，即可由布拉格方程得到受力之后的晶面間距，繼而得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力值。這里需要指出的是由于晶體是各向異性的，因此彈性常數(shù)K 和宏觀意義上的彈性模量E 是不同的，需要根據(jù)所選擇的衍射晶面來計算出彈性常數(shù)K。

1961 年德國學(xué)者Macherauch 結(jié)合彈性理論和布拉格方程提出了測二維殘余應(yīng)力的sin2ψ法：

根據(jù)ψ平面與測角儀2θ掃描平面的幾何關(guān)系，分為同傾法與側(cè)傾法兩種測試方式，精準檢測工件表面應(yīng)力。

2.4

中子衍射法

中子衍射方法和 x射線衍射法原理類似，而中子穿透深度較大，因此可以探測大塊材料內(nèi)部 (厘米量級 )的殘余應(yīng)力分布。

中子衍射峰位的精確性受衍射強度的影響，在反應(yīng)堆功率、衍射晶面和規(guī)范體積等一定的條件下，衍射強度主要取決于測試時間。

中子衍射測量殘余應(yīng)力耗時且費用昂貴，通常需要樣品的標準體積較大(10mm3)，且空間分辨率較差，對材料表層殘余應(yīng)力的測量無能為力 (>100um及以上區(qū)域 )。

03

結(jié)論

在各工業(yè)領(lǐng)域，殘余應(yīng)力測試技術(shù)和應(yīng)用研究受到高度重視，目前測試方法還較少，且各測試方法均有一定的局限性。目前，應(yīng)用較多為盲孔法和X射線衍射法。

盲孔法主要關(guān)注的是應(yīng)變釋放系數(shù)的數(shù)值分析和實驗標定問題，在大量研究的基礎(chǔ)上，其在測量準確性方面有了新的進展，但此方法會對測試對象造成損傷，限制了其適用范圍；X射線作為一種無損檢測方法，測范圍只能在表面薄層中，且對測試表面要求較高。

而磁性法主要針對大型構(gòu)件的殘余應(yīng)力測試，但它僅限于對磁性材料測試；中子衍射主要針對大型構(gòu)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力，國內(nèi)外研究均處于發(fā)展階段；超聲測定殘余應(yīng)力時受材料性能、工件形狀和組織結(jié)構(gòu)的影響較大，測試靈敏度不高；壓痕法測試雖然是有損檢測，但對材料的損傷較小。

現(xiàn)有測試儀器大多需要手動更換樣品及轉(zhuǎn)動樣品角度、人工計算數(shù)據(jù)、制定定標曲線，工作量大；通過計算機控制及計算模擬技術(shù)的發(fā)展，未來儀器有望實現(xiàn)自動完成樣品測試計算應(yīng)力分布云圖方向發(fā)展。

來源：北京翔博科技

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