残余应力测量方法的研究现状
盘件轮廓法残余应力测试【推荐】
盘件轮廓法残余应力测试【推荐】一、引言残余应力是材料在加工、热处理或使用过程中，由于内部组织不均匀或外部约束作用而产生的内应力。
残余应力对材料的使用性能和结构安全具有很大影响，因此对其进行测试和分析具有重要意义。
盘件轮廓法残余应力测试是一种常用的测试方法，具有操作简便、测试速度快、精度高等优点。
二、盘件轮廓法残余应力测试原理1. 基本原理盘件轮廓法残余应力测试是基于弹性力学原理，通过测量盘件在不同方向上的轮廓变化，计算得到残余应力的大小。
测试时，将盘件置于专用的测试装置中，通过加载和卸载，使盘件产生弹性变形。
通过测量盘件的轮廓变化，可以计算出残余应力的大小。
2. 应力分布假设在进行盘件轮廓法残余应力测试时，通常假设应力分布满足以下条件：（1）残余应力在盘件截面上呈均匀分布；（2）残余应力在盘件径向方向上不变；（3）残余应力在盘件周向上呈线性分布。
三、盘件轮廓法残余应力测试设备1. 测试装置盘件轮廓法残余应力测试装置主要包括以下部分：（1）加载装置：用于对盘件施加加载和卸载力，使盘件产生弹性变形；（2）测量装置：用于测量盘件的轮廓变化，包括线性测量仪、光学测量仪等；（3）数据采集和处理系统：用于记录和处理测试数据。
2. 辅助设备辅助设备包括：（1）盘件加热装置：用于加热盘件，使其达到测试温度；（2）冷却装置：用于冷却盘件，使其达到测试温度；（3）防护装置：用于保护测试装置和操作人员的安全。
四、盘件轮廓法残余应力测试操作步骤1. 测试前准备（1）检查测试装置是否正常工作；（2）将盘件清洗干净，去除表面污垢和氧化层；（3）对盘件进行加热或冷却，使其达到测试温度；（4）将盘件安装在测试装置上。
2. 加载和卸载（1）施加加载力，使盘件产生弹性变形；（2）记录加载过程中的应力应变数据；（3）卸载力，使盘件恢复到初始状态；（4）记录卸载过程中的应力应变数据。
3. 测量轮廓变化（1）在加载和卸载过程中，测量盘件的轮廓变化；（2）将测量结果输入数据采集和处理系统。
表面残余应力测试技术研究及应用现状
表面残余应力测试技术研究及应用现状表面残余应力测试技术研究及应用现状摘要: 在生产、处理或加工材料的过程中，由于材料的局部区域的不均匀塑性变形，产生了残余应力。
残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响; 提高表面塑变抗力，降低表层的有效拉应力，可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。
本文主要介绍一些常用的表面残余应力的测试技术以及应用现状。
关键词:表面残余应力;X －射线衍射; 测试参数金属材料在热处理、表面处理、表面改性、塑性变形加工等各种冷热加工之后或在切削、研磨、装配、铸造、焊接等加工工艺之后，材料的局部区域产生了不均匀的塑性变形，必然会产生内应力。
残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料中发生了不均匀的弹性形变或不均匀的弹塑性变形而引起的，或者说是材料的弹性各向异性或塑性各向异性的反映。
这种残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响。
此外，绝大多数机件的疲劳破坏是从表面开始的。
由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50% 以上，这也是工程界越来越关注的产品失效问题。
下面就介绍几种表面残余应力的测定技术。
目前广泛应用的残余应力测试方法可分为两大类：物理方法和机械方法。
物理法有X 射线法、磁测法和超声波法等；机械法也称应力释放法如电侧（盲孔、切割、套孔及逐次去层）法及光弹贴片钻孔法。
此外, 近些年还出现了硬度测定法、压痕测定法、全息干涉法、错位散斑干涉法、脆性涂层法等。
一、测定法简单介绍X 射线测定法X 射线衍射技术来测定材料中的残余应力，其测定的基本原理是基于X 射线衍射理论。
当一束具有一定波长λ的X 射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X 射线强度极大值( 即所谓衍射峰) ，这便是X 射线衍射现象( 如下图) 。
X 射线的波长λ、衍射晶面间距d 和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律:2d sinθ= n λ( n = 1，2，3……)在已知X 射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d 建立确定的关系。
焊接残余应力数值模拟研究现状王永康
焊接残余应力数值模拟研究现状王永康发布时间：2023-06-18T02:58:22.258Z 来源：《建筑实践》2023年7期作者：王永康[导读] 重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。
文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。
重庆交通大学土木工程学院重庆 400041摘要：重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。
文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。
关键词：焊接；残余应力；数值模拟0 前言随着技术的发展，大型机械结构运用愈发广泛，带动焊接结构向大型化、精密化和高参数方向发展，焊接残余应力是降低焊接构件性能及可靠性的重要因素之一，因此如何利用现代新兴技术控制焊接残余应力已成为核心的问题。
目前，我国焊接结构焊接残余应力的传统测量方式主要包括破坏性和非破坏性测量应力试验，但只能测量焊接结构件表面及其附近的残余应力。
因此，随着计算机技术的发展，采用数值模拟分析技术对核电结构焊接残余应力进行模拟计算，全面了解影响残余应力的各种因素及其影响规律，对未来高质量的焊接结构的发展具有十分重要的现实意义[2~3]。
1 残余应力数值模拟技术残余应力数值模拟在计算力学上属于典型的热力耦合问题，即热力学和力学相互迭代非线性有限元计算。
焊接残余应力和变形的根本原因是焊接过程中由于局部的热输入而导致不均匀的温度场，因此数值模拟首先需要对焊接温度场进行准确的计算，包括焊接工艺、边界条件、材料特性等多因素考虑，以此保证焊接过程热弹塑性动态分析的准确[4]。
承压容器焊接接头残余应力测试的现代探究
承压容器焊接接头残余应力测试的现代探究摘要压力容器作为特种设备，在炼油、医药、有机合成乃至核电行业发展中扮演着重要的角色。
压力容器的封头、接管、开孔、密封元件、支座等诸多结构基本都为焊接构件，焊接后产生的焊接残余应力是影响构件使用安全的危险因素，往往是引起裂纹、应力腐蚀开裂等缺陷的主要原因。
开展压力容器焊接接头焊接残余应力的研究有助于了解残余应力的分布规律，优化设计方案，对于压力容器的安全性能也是一种保障。
关键词承压容器；焊接接头；残余应力测试前言当压力容器在焊接完成后，会在部分焊缝区域产生出残余应力。
由于在焊接过程中温度的不均与是的内应力超过了金属的屈服极限是的部分地区产生了变形，当温度降到常温后，由于无法消除而残留在结构中的内应力就叫作残余应力。
焊接构件的焊接残余应力的特点是某些区域量值很大，所以开展压力容器焊接接头焊接残余应力研究有助于优化焊接工艺，消除残余应力，保证焊接质量，保证压力容器能够长期、安全、平稳的使用。
1 焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生时的状况，在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等不同而不同。
就其产生原因及过程关系有下列三种情况。
1.1 焊接热应力由于焊接时，焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。
在加热过程中不均匀的焊接温度场使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区；在冷却过程中，受压缩的塑性变形区的金属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产生了焊接熱应力，这是焊接残余应力起主导作用的部分。
1.2 约束应力约束应力是焊前加工状况造成的，由于约束不同，不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分顯示的不同的屈服行为而引起构件的不均匀变形产生了约束应力。
1.3 相变应力焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起体积的变化，产生了相变应力，相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接有关。
金属增材制造变形与残余应力的研究现状
2、对材料选择和优化方面仍存在局限性，需加强材料性能与加工工艺之间 的匹配研究；
3、对制造过程中实时监测与控制方法的研究尚不充分，需要开发更为精确 和高效的监测与控制技术。
3、对制造过程中实时监测与控 制方法的研究尚不充分
1、深入研究金属增材制造过程中变形和残余应力的形成机制，为控制和减 小变形和残余应力提供理论依据；
2、技术融合：金属增材制造技术将与其它制造技术如数控加工、电火花加 工等进行融合，形成更为完整的制造体系。
3、智能化发展：通过引入人工智能、物联网等先进技术，金属增材制造技 术将实现智能化、自主化生产，提高生产效率和降低成本。
4、可持续发展：金属增材制造技术将注重绿色环保，采用清洁能源和低碳 生产模式，实现可持续发展。
2、加强材料性能与加工工艺之间的匹配研究，开发适用于不同增材制造工 艺的新型材料；
3、开展实时监测与控制方法的研究，提高制造过程中对变形和残余应力的 监测与控制水平；
4、结合数值模拟和实验验证，对变形和残余应力进行精确预测和控制，实 现金属增材制造的高效、高精度和高可靠性。
参考内容
本次演示将介绍金属增材制造技术的研究现状，包括其定义、发展历程、当 前的应用情况以及未来的发展趋势。这种制造技术正逐渐成为制造业的焦点，因 其能够显著提高生产效率和降低成本。
参考内容二
随着科技的飞速发展，金属增材制造技术已经成为了现代制造业的热门话题。 本次演示将从介绍金属增材制造技术的概念、应用和发展三个方面，带领读者了 解这一重要的制造方法。
一、金属增材制造技术的概念
ห้องสมุดไป่ตู้
金属增材制造技术，也称为3D打印金属技术，是一种基于数字模型文件的制 造技术。它采用逐层堆叠的方式，将金属材料逐层打印成预设的三维模型，从而 实现金属零件的快速、精密制造。
钛合金高速切削残余应力国内外发展和研究现状
钛合金高速切削残余应力国内外发展和研究现状钛合金高速切削残余应力的研究与应用是当前制约钛合金高速切削加工的关键问题。
下面将从国内外的发展和研究现状两个方面进行探讨。
一、国内外的发展现状1. 国外发展现状在国外，钛合金高速切削残余应力的研究已经非常深入。
国外相关领域的专家学者在理论研究和实验方面都取得了较为显著的成果，特别是在研究高速切削加工过程中如何减少或消除残余应力方面。
在国外主要有以下几个方面的发展：（1）针对不同类型的钛合金，比如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2.5Sn等的高速切削残余应力进行研究；（2）利用有限元分析和试验研究手段，深入探讨高速切削加工过程中残余应力的形成机理、分布规律以及影响因素等方面的问题；（3）研究加工工艺参数对高速切削残余应力的影响，通过优化切削参数来控制和减小切削残余应力的大小。
2. 国内发展现状我国在钛合金高速切削残余应力的研究方面也在不断地推进。
近年来，国内许多学者都在从不同角度研究该问题。
然而，与国外相比，国内的研究还存在一些不足之处，主要体现在以下几方面：（1）对于不同种类的钛合金的高速切削残余应力分布规律还缺乏明确的了解；（2）在研究过程中，国内还没有建立完整的高速切削残余应力试验体系；（3）国内有限元分析手段在高端仿真方面的软硬件设备和技术仍十分薄弱。
二、国内外的研究现状1. 国外研究现状国外的研究围绕高速切削加工过程中残余应力的影响因素展开，主要可以分为以下几个方面：（1）刀具形状和结构对残余应力的影响；（2）切削参数对残余应力的影响，如铣削速度、深度、进给等；（3）切削液对高速切削残余应力的影响；（4）材料属性对高速切削残余应力的影响。
2. 国内研究现状国内在研究高速切削残余应力方面的主要探索包括以下几个方面：（1）研究残余应力与材料热力学特性、金相组织特性、加工工艺参数之间的关系；（2）研究高速切削过程中切削液对残余应力的影响；（3）研究不同钛合金的高速切削残余应力差异。
超声法对不同强度低合金钢板残余应力测试
超声波对低合金钢板残余应力的影响
01
超声波检测原理
超声波在材料中传播时，会受到材料内部结构的影响，通过分析超声波
的传播特性和反射信号，可以获取材料的内部应力信息。
02
超声波对低合金钢板残余应力的影响
超声波的频率和波形对低合金钢板残余应力的测量精度和准确性具有重
要影响。
03
超声波检测技术发展
随着超声检测技术和信号处理技术的不断发展，超声波检测低合金钢板
低合金钢残余应力超声波测试方法，John Johnson，2018
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目前的研究主要关注了超声波的传播速度和频率与残余应力的关系，未来可以深入研究超声 波的其他特性，如波幅、波形等，以进一步揭示超声波与残余应力的相互作用机制。
06
参考文献
参考文献
参考文献1
超声波在材料科学中的应用，John 2000Doe，参考文献2
超声波检测技术，Jane Smith，2015
参考文献3
研究不足与展望
虽然超声波检测方法可以无损地检测低合金钢板的残余应力，但由于不同强度钢板的材料成 分、微观结构和织构等因素可能存在差异，因此需要进一步研究这些因素对超声波速度和频 率的影响，以提高估算残余应力的准确性。
在本研究中，我们只采用了有限元模拟和实验对比的方法来验证超声波检测方法的有效性， 但这种方法可能存在误差和不确定性。未来可以采用更多的对比方法，如X射线衍射、电子 显微镜等，来进一步验证超声波检测方法的准确性和可靠性。
超声波在应力测试中的应用
利用超声波在应力作用下传播特性的变化，可以实现对材料内部应力的非破坏性测量。这 种方法具有快速、无损、准确等优点，被广泛应用于材料科学和工程领域。
残余应力X射线测定方法的研究现状
应该指出, R IM 法的方程 (9) 虽然是以应变表
达的, 实际上, 对应力也应该是有效的, 因此完全可
以改写成如下形式
∫Ρij (z ) e-
z
Σdz
〈Ρij 〉=
∫e-
z
Σdz
(15)
·21·
陈玉安等: 残余应力 X 射线测定方法的研究现状
第23卷第1期 2001年1月
无损检测 NDT
V o l. 23 N o. 1 Jan. 2 0 0 1
综 述
残余应力 X 射线测定方法的研究现状
陈玉安, 周上祺 (重庆大学, 重庆 400044)
摘 要: 综合评述当前广泛应用于众多领域的几种 X 射线残余应力测定方法, 包括其测定原理、 计算方法和应用领域, 最后就 X 射线残余应力测定方法的发展提出了几种设想。
·19·
陈玉安等: 残余应力 X 射线测定方法的研究现状
ΡΥ, 即被测试样 (各向同性材料) 的表面应力。
Ε7 Υ =
∃d
d
=
d7Υ- d0 d0
根据布拉格定律 nΚ= 2d sinΗ得
Ε7 Υ = - co tΗ0 (Η7 Υ - Η0)
(4)
因此, 由上述四式经过变换即可得
ΡΥ = -
E 2 (1 +
Μ) co tΗ0
5(2Η) 5( sin27
)
(5)
令
K1= -
E 2 (1 +
Μ) co tΗ0 M
=
5(2Η) 5( sin27 )
则
ΡΥ = K 1M
(6)
式中 K 1 ——应力常数
M ——2Η对 sin27 的斜率
显然, 只要求出 2Η对 sin27 的斜率, 便可计算
钢轨中残余应力的产生、影响及调控研究现状
第48卷第1期燕山大学学报Vol.48No.12024年1月Journal of Yanshan UniversityJan.2024㊀㊀文章编号:1007-791X (2024)01-0001-10钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状王建军1,李宏光1,王庆超1,董润洲1,杨志南1,2,∗,张福成3(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;3.华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063210)㊀㊀收稿日期:2023-07-11㊀㊀㊀责任编辑:温茂森㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFB3703500);国家自然科学基金资助项目(52122410,52374406);河北省自然科学基金资助项目(E2023203259)㊀㊀作者简介:王建军(1990-),男,河北唐山人,博士研究生,主要研究方向为残余应力分析与调控;∗通信作者:杨志南(1985-),男,河北迁安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为先进钢铁材料制备关键技术,Email:zhinanyang@㊂摘㊀要:近年来随着我国高速㊁重载铁路的快速发展,列车速度的提升㊁轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求㊂如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能㊂本文汇总了当前针对钢轨中残余应力的测量方法,并论述了钢轨中残余应力的产生原因及其对综合性能的影响机制㊂同时,依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火等方面出发,综述了国内外研究者在钢轨残余应力演变及其调控领域所取得的成果㊂最后,对钢轨残余应力演变与调控技术的发展进行了展望㊂关键词:钢轨;贝氏体;残余应力;制造工艺;调控中图分类号:TG142㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2024.01.0010㊀引言近几年来,我国在高速㊁重载铁路领域的发展已经迈入世界前列㊂列车速度的提升㊁轴重的加大,对铁路轨道服役性能的稳定性和可靠性提出更高要求,以保证铁路运输安全㊁高效㊂钢轨是最主要的铁路轨道部件之一,其制造过程主要包括热轧㊁冷却和矫直等工序[1]㊂在此过程中,钢轨不同位置的冷却速度和变形量存在差异,导致钢轨在成形后会在内部形成较大的残余应力[2]㊂钢轨钢按微观组织分类,主要有珠光体型和贝氏体型两大类㊂相对于珠光体钢轨,贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[3-4]㊂因此,贝氏体钢轨在矫直后,会进一步进行回火处理,以降低残余应力,并进一步提高韧性㊁稳定组织[5]㊂残余应力会显著影响钢轨的抗疲劳㊁抗腐蚀等性能[6-8],从而严重制约钢轨的寿命及可靠性㊂因此,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂本文将从钢轨中残余应力的测量方法㊁产生原因㊁对钢轨综合性能的影响以及调控方法等方面,综述近年来的发展状况,以期为当前钢轨中残余应力调控提供指导㊂1㊀钢轨中残余应力的测量方法简介残余应力是指产生应力的各种外部因素(外力㊁温度变化等)去除后,在物体内部保持平衡的一种内应力[9]㊂为准确认识钢轨中的残余应力状态,研究者在钢轨残余应力测量方面做了很多工作[10-13]㊂根据我国铁道行业标准TB /T 23442012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中规定的钢轨轨底残余应力测量方法,韩志杰等发现经过矫直60kg /m 规格U75V 钢轨的轨底残余应力由83MPa 提高到220MPa,这表明矫直工艺可显著提高钢轨轨底的残余拉应力[10]㊂刘佳朋等采用X 射线衍射法测量并绘制出钢轨横截面上残余2㊀燕山大学学报2024应力的分布,如图1所示[11]㊂这使研究人员对钢轨中残余应力的三维分布有了更清晰的认识㊂Kang 等分别采用X 射线衍射法和切片法对60E2钢轨底部的残余应力进行对比研究,发现采用两种方法测量的结果差异较大,如图2所示㊂通过与之前文献结果相比,研究者认为用切片法测定的残余应力值相对可靠[12]㊂虽然采用X 射线衍射法测量钢轨残余应力存在一定的误差,但是采用该方法可以进行无损测量,因此X 射线衍射法在测量残余应力方面得到广泛应用㊂此外,Wang 等提出了一种利用激光超声技术无损测量钢轨踏面残余应力的方法[13]㊂该方法对物体检测表面的要求不高,且可以无接触测量,为钢轨中残余应力的无损测量提供了新的选择㊂图1㊀X 射线衍射法测得的在线热处理贝氏体钢轨残余应力Fig.1㊀Residual stress of on-line heat treated bainite rail measured by X-ray diffraction图2㊀切片法和X 射线衍射法测量钢轨中残余应力值对比Fig.2㊀Comparison of residual stress values in rail measuredby sectioning method and X-ray diffraction method2㊀钢轨中残余应力的产生及其对综合性能的影响2.1㊀钢轨中残余应力的产生钢轨中的残余应力主要有两个来源:一是钢轨在制造过程中因其不同位置的冷却速度和变形量存在差异而产生,二是钢轨在服役过程中由于轮轨接触表面发生塑性变形而产生[14]㊂钢轨在制造过程中,要经过热轧成型㊁冷却㊁矫直㊁回火等工艺㊂热轧成型的钢轨在随后冷却过程中,由于钢轨表面与内部的冷却速度存在差异以及相变发生,导致钢轨内部形成很大的热应力和组织应力㊂在两种应力的共同驱动下,钢轨不同位置的变形量存在差异,因而产生残余应力㊂同时,因为轨腰和轨底的比表面积比轨头大,轨腰和轨底的冷却速度比轨头快;因此,在冷却后期轨头部位的收缩量更大,导致钢轨产生较大的残余应力并产生弯向轨头的弯曲变形㊂钢轨冷却后残余应力分布规律如图3(b)所示,在轨头表面为纵向残余压应力,轨腰和轨底表面为纵向残余拉应力㊂由于钢轨在冷却后产生了弯曲变形,须经矫直后才能使用㊂目前国内外普遍使用的矫直方法是辊式矫直机矫直㊂在矫直辊巨大的弯曲应力㊁剪切应力和接触应力的作用下,钢轨的不同部位发生不同程度的塑性变形,轨头和轨底在矫直后横向变长,纵向变短,而轨腰纵向变得更长㊂因此,矫直后的钢轨在轨头和轨底产生纵向拉伸应力,轨腰产生纵向压缩应力,从轨头到轨底呈C 形分布,与矫直前的应力分布发生明显变化[14],如图3(c)所示㊂钢轨的材质显著影响钢轨矫直后的残余应力大小㊂由表1可知,贝氏体钢轨轨头和轨底的残余应力比珠光体钢轨相应位置的残余应力高得第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状3㊀多㊂这是因为贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[4]㊂因此,降低贝氏体钢轨的残余应力是一项重要课题㊂图3㊀热轧钢轨表面纵向残余应力分布图Fig.3㊀Longitudinal residual stress distribution on thesurface of hot rolled rail表1㊀辊矫后60kg/m 贝氏体钢轨与珠光体钢轨残余应力对比Tab.1㊀Comparison of residual stress between bainiterail and pearlite rail after straighteningMPa钢种材质编号轨头轨腰轨底贝氏体U20Mn2SiCrNiMo-1255.2-148.6335.5U20Mn2SiCrNiMo-2236.4-127.1314.2U20Mn2SiCrNiMo-3231.0-143.7337.0平均240.9-139.8328.9珠光体U75V-1179.7-152.6199.8U75V-2130.8-151.9212.8U75V-3229.6-170.8211.1平均180.0-158.4207.9㊀㊀新钢轨在服役过程中,由于受车轮接触应力和摩擦力的作用,在轮轨接触表面发生塑性变形,也会引入一定的残余应力㊂该残余应力与钢轨中原有的残余应力相互叠加,使钢轨残余应力的分布发生一些变化,如图4所示[15]㊂轨头表面的纵向残余应力由拉应力变为压应力㊂轨腰和轨底残余应力在数值上变小,但分布规律变化不大㊂随着服役时间的增加,钢轨各部位残余应力分布状态逐渐趋于稳定㊂此外,打磨作为钢轨常用的养护手段,也会在钢轨中引入残余应力[16]㊂在打磨过程中,砂轮和钢轨的强烈摩擦会使钢轨表面局部温度迅速上升,造成钢轨表面与内部形成很大的温差㊂在冷却过程中,钢轨表面的收缩变形程度大于钢轨内部,但是钢轨表面的收缩变形受到钢轨内部材料的约束㊂因此,打磨结束后,在钢轨磨削区域的表层会产生较大的残余拉应力[17]㊂图4㊀轮轨循环滚动接触过程钢轨纵向残余应力变化曲线Fig.4㊀Variation curve of longitudinal residual stress inrail during wheel-rail rolling contact2.2㊀残余应力对钢轨疲劳断裂的影响如果钢轨内部的残余应力数值偏大且分布不当,会显著影响钢轨的综合性能㊂当钢轨轨头部位的纵向残余拉应力偏大时,如果在踏面亚表层处存在夹杂物等缺陷,或出现亚表层水平裂纹时,容易诱发钢轨横向疲劳断裂,造成断轨事故[18],如图5所示㊂在轨底,由于车轮通过引起的弯曲应力和残余应力都呈拉应力状态,两个拉应力叠加容易在轨底的缺陷处诱发疲劳裂纹㊂轨底过大的残余拉应力将直接影响钢轨的疲劳寿命,所以需要对其进行限制㊂我国铁道行业标准TB /T 2344 2012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中对珠光体钢轨残余应力的要求是轨底纵向残余应力不能超过250MPa㊂对于贝氏体钢轨,铁总科技颁发的暂行技术条件TJ /GW 1172013‘U20Mn2SiCrNiMo 贝氏体钢轨暂行技术条件“规定轨底纵向残余应力不能超过330MPa㊂当轨腰存在较高的纵向残余压应力时,由于泊松效应,将在轨腰高度方向上形成残余拉应力,容易诱发钢轨轨腰的水平开裂[14]㊂钢轨中的残余应力㊁车轮作用在钢轨上的弯曲应力㊁接触应力在轨顶部位纵向方向构成循环应力㊂当轨顶残余应力由296MPa 下降到166MPa 时,纵向循环应力峰值由320MPa 降4㊀燕山大学学报2024低到181MPa,如图6所示[20]㊂由于应力变化范围越大,疲劳寿命越短,因此钢轨轨头部位的纵向残余应力与钢轨轨头疲劳寿命密切相关㊂另外,有研究结果表明,钢轨制造过程产生的残余应力会明显促进疲劳裂纹的萌生[21]㊂裂纹萌生后,残余拉应力将促进裂纹张开,并提高裂纹的最大应力强度因子㊂因此,钢轨轨头的残余拉应力会显著提高初始疲劳裂纹的扩展速率,降低钢轨的使用寿命[22]㊂综上所述,钢轨中的残余应力会显著促进疲劳裂纹的萌生和扩展,影响钢轨的综合性能㊂所以,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂图5㊀钢轨踏面亚表层夹杂物缺陷导致的断轨和裂纹Fig.5㊀Broken rail and cracks caused by inclusion defectsin subsurface of railtread图6㊀不同残余应力值对脉冲疲劳应力的影响Fig.6㊀Effects of different residual stress valueson pulse fatigue stress3㊀钢轨残余应力的调控本章依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四个方面出发,综述近年来在调控钢轨残余应力方面的研究成果㊂3.1㊀钢轨热预弯工艺对残余应力的影响钢轨轧制完直接冷却,会产生一个弯向轨头的弯曲度㊂热预弯工艺是使用弯轨小车在钢轨冷却前给它一个反向的弯曲变形,在接下来的冷却过程中,该变形可以补偿因钢轨各部位冷却不均匀导致的变形㊂所以,经过热预弯工艺的钢轨在冷却后的弯曲度要比未进行热预弯的小㊂已经证实,钢轨冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小[23]㊂所以,研究钢轨矫前弯曲度的变化原理,获取适当的热预弯变形量,有利于降低钢轨最终的残余应力水平㊂秦瑞廷通过数学模型计算得到,钢轨的最佳热预弯变形量大小与相同外部环境下未预弯直接冷却后的弯曲变形量相等,方向为由轨头弯向轨底[24]㊂然而,有观点认为,预弯改变了钢轨在冷却阶段的应力㊁应变和位移等初始条件,若简单按照直接冷却后的变形参数进行预弯并不能达到最佳效果,需要进行适当的修正[25]㊂此外,研究者还得到预弯温度为800ħ时,冷却后的弯曲变形和残余应力均最小㊂除了轧后热预弯工艺,还有学者研究了利用辊径差和压下量差对钢轨进行定向且弯曲量可控的预弯轧法,通过该方法能够有效提高钢轨冷却后的全长平直度,使钢轨在进入矫直机时具有较小的弯曲度[26]㊂3.2㊀钢轨冷却制度对残余应力的影响钢轨在热轧成型后的冷却过程中,受热应力和相变应力的影响,会发生弯曲变形并产生残余应力㊂有研究表明,钢轨在轧后冷却过程中产生的残余应力值较小㊂新钢轨中的残余应力大小取决于矫直阶段[27]㊂还有研究表明,钢轨矫直后残余应力随矫直前弯曲度的增加而增大[23]㊂因此有必要对钢轨冷却过程的弯曲变形规律进行研究,从而开发出一种降低钢轨在冷却过程中弯曲变形程度的工艺㊂通过有限元仿真,可以很直观地得到U75V 钢轨在冷却过程弯曲度的变化情况,如图7所示[28-29]㊂在钢轨冷却初始阶段,由于轨底㊁轨腰比表面积大,冷却速度比轨头快,这时钢轨逐渐由轨头弯向轨底㊂随着冷却的进行,轨底㊁轨腰首先达到相变点,发生固态相变并释放相变潜热,导致轨底㊁轨腰的冷却速度有所减慢㊂与此同时,轨底㊁轨腰部分由于相变产生体积膨胀,使钢轨的弯曲度有所减小㊂轨底㊁轨腰完成相变时,钢轨达到平直状态㊂随后钢轨继续冷却收缩,但轨头收缩变第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状5㊀形更大㊂钢轨慢慢地由平直变为弯向轨头,直至冷却结束㊂(a)3000s(b)4530s(c)4800s(d)9000s图7㊀钢轨在不同冷却时刻的弯曲变形图Fig.7㊀Bending deformation diagram of railat different cooling time㊀㊀由以上分析可知,钢轨冷却后产生弯曲变形主要是由于钢轨各部位冷却速度不同造成的㊂针对这一问题,Nallathambi 等提出一种基于材料质量分布的控制冷却方法[30]㊂该方法是在质量集中部位加大冷却速度,在边缘和角部降低冷却速度,可以达到降低材料的淬火变形和残余应力的作用㊂这为减小钢轨冷却后的弯曲变形程度提供了思路㊂由于轨头部位比表面积小,同等条件下散热更慢,因此可以采用提高轨头部位换热系数的方法,降低钢轨冷却后弯曲变形程度[31]㊂张文雄通过对钢轨风冷淬火进行数值模拟计算,优化了喷嘴间距㊁喷射距离和喷风压力,使钢轨冷却后弯曲变形程度减小[32]㊂目前,武钢建设了一条钢轨在线热处理生产线㊂该产线通过在轨头和轨底使用不同的喷风压力,可以达到降低钢轨冷却过程弯曲变形程度的目的[33]㊂可见,在钢轨冷却过程中,采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂3.3㊀钢轨矫直工艺对残余应力的影响目前,针对钢轨冷却后产生的弯曲变形,大多使用辊式矫直机对其进行矫直㊂辊轮上下交错排列,每3个辊组成一个矫直变形区,共形成7个矫直变形区,如图8所示㊂弯曲变形的钢轨经过各变形区连续反弯,逐渐缩小残余曲率,最终被成功矫直㊂在此过程中,钢轨被反复弯曲,各个部位产生了不同程度的塑性变形,导致矫直后的钢轨内部存在很大的残余应力㊂如何在保证钢轨平直度满足要求的基础上,尽可能地降低钢轨残余应力是一个困扰轨道交通领域多年的难题㊂在过去的几年里,很多学者通过对钢轨矫直过程的数值模拟研究,寻求解释残余应力的演变规律,以及影响残余应力大小的因素[34-38]㊂图8㊀矫直机辊系示意图Fig.8㊀Diagram of straightener roller system㊀㊀由于钢轨在矫直过程中被反复弯曲导致的包辛格效应,很多学者在建立仿真模型时采用了随动强化模型[34-38]㊂Kaiser 等采用中子衍射法㊁等高线法和有限元模拟表征了矫直后钢轨的纵向残余应力分布,发现实验数据和模拟数据吻合良好,如图9所示[34]㊂这为利用有限元方法预测钢轨矫直过程残余应力的演变提供了基础㊂Biempica 等建6㊀燕山大学学报2024立了钢轨矫直过程的一㊁二㊁三维有限元模型,利用这些模型研究了不同的工艺参数对残余应力的影响,为优化工艺提供了参考[35]㊂不同道次的矫直对钢轨最终的残余应力会产生影响,有研究认为R4辊的压下量越大,最终的残余应力越大[36]㊂也有研究认为对钢轨最终残余应力影响最大的是R8辊,其次是R2辊和R6辊[37]㊂此外,钢轨矫直后的残余应力大小不仅与矫直辊总压下量有关,还与各矫直辊压下量之间的匹配有关[38]㊂图9㊀不同方法得到的钢轨横截面中心线纵向残余应力分布Fig.9㊀The longitudinal residual stress distribution along the vertical symmetry axis evaluated by different methods 3.4㊀回火对钢轨残余应力的影响珠光体钢轨矫直后残余应力相对较小,可以满足使用要求㊂因此,珠光体钢轨在矫直后不需回火处理㊂贝氏体钢轨矫直后的残余应力较大,为了消减残余应力,并进一步提高贝氏体钢轨的韧性㊁稳定组织,通常采取回火的处理方法[39]㊂在回火过程中,应力松弛与 材料软化效应 和 蠕变效应 有关[40]㊂ 材料软化效应 是指随着温度的升高,材料的屈服强度和弹性模量逐渐变小,且屈服强度的降低速率更大㊂残余应力是由弹性应变和弹性模量决定的,即屈服强度的降低速率大于残余应力的降低速率㊂当材料的屈服强度低于残余应力时,弹性应变要转化为塑性应变,从而导致最终残余应力的减小㊂蠕变是指在一定温度㊁应力条件下,随时间发生的材料变形不断增大的现象㊂蠕变过程中发生的材料变形将导致应力松弛㊂目前,关于回火消减残余应力的研究主要围绕蠕变展开[41],通过建立幂律蠕变模型揭示热处理过程中残余应力的演变规律[42]㊂有研究结果表明,在回火过程中, 蠕变效应 比 材料软化效应 对消减残余应力的贡献更大[43-44]㊂李智丽等通过实验,研究了保温时间对在线淬火贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着保温时间的延长,钢轨轨底纵向残余应力的降低速度逐渐减小,如图10所示[45]㊂这可能是由于回火过程中内应力的释放导致蠕变效果减弱所致㊂张凤明等研究了保温温度对贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着回火温度的升高,钢轨轨底纵向残余应力显著降低,如图11所示[46]㊂这是因为温度高时材料发生蠕变的驱动力更大所致[47]㊂图10㊀贝氏体钢轨在320ħ回火时轨底残余应力随回火时间的变化Fig.10㊀The variation of rail residual stress withtempering time at320ħ㊀㊀在回火时,不仅要考虑回火参数对钢轨中残余应力的影响,也要考虑回火参数对钢轨力学性能的影响㊂贝氏体组织在回火过程中可能发生残余奥氏体分解[48]㊁碳化物析出[49]㊁位错密度降低以及贝氏体铁素体板条粗化等现象[50]㊂贝氏体组织的变化将直接导致其性能发生改变㊂有研究表明,随着回火的温度升高,贝氏体钢的冲击韧性呈先升高后降低的趋势[51]㊂还有研究表明20CrSiMn2MoV贝氏体钢在250ħ回火时,随着时间的延长,其硬度值和抗拉强度逐渐下降,塑性呈先升高后降低的趋势[52]㊂可见单纯地提高回火温度㊁延长保温时间可能会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂近期有研究结果表明,一种中碳马氏第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状7㊀体钢通过高温快速回火可以获得比常规回火更优异的拉伸性能和断裂韧性[53]㊂由于较高的回火温度更有利于残余应力的释放[54],并且在回火初期残余应力的降低速度最快[55],因此高温快速回火工艺可能是贝氏体钢轨残余应力与力学性能协同调控的发展方向㊂图11㊀保温时间为24h 时贝氏体钢轨轨底残余应力随回火温度的变化Fig.11㊀The variation of rail residual stress with temperingtemperature when holding time is 24h4 总结与展望本文在概述钢轨残余应力的测量方法㊁产生原因及其对综合性能影响的基础上,从钢轨制造流程预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四方面,综述了钢轨残余应力的演变规律和调控技术研究进展㊂钢轨经冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小㊂在钢轨冷却过程中采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂随着钢轨的服役环境越来越苛刻,贝氏体钢轨残余应力大的问题逐渐变得突出㊂在贝氏体钢轨回火过程中,通过提高回火温度㊁延长保温时间,可以降低钢轨的残余应力;但是,回火参数会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂因此贝氏体钢轨回火时,残余应力的控制与组织性能调控必须协同进行㊂数值模拟作为研究钢轨残余应力演变规律和调控技术的一种重要手段被广泛应用㊂目前,钢轨制造过程中的某些数学模型还不够完善㊂在钢轨冷却过程数学模型的建立过程中需进一步考虑相变产生的组织应力,在贝氏体钢轨矫直过程的力学模型建立过程中还需考虑残余奥氏体的转变情况㊂构建更加完善的数学模型,对于深入了解钢轨残余应力的形成机理㊁开发降低钢轨残余应力方法具有重要意义㊂参考文献1 陈昕.高速重载贝氏体钢轨开发的应用基础研究 D .沈阳 东北大学 2013.CHEN X.Investigation on the application basis for developingbainitic rail for usage of high-speed and over loading railroad D .Shenyang Northeastern University 2013.2 陈岳源 马立忠 易大斌.钢轨残余应力试验分析 J .铁道学报 1982 4 2 72-86.CHEN Y Y MA L Z YI D B.Test and analysis of residual stressin rails J .Journal of the China Railway Society 1982 4 272-86.3 王权 李春龙 付学义 等.钢种㊁轨型及生产工艺对钢轨矫后残余应力的影响 J .金属热处理 2002 27 9 35-37.WANG Q LI C L FU X Y et al.Effects of steel grade rail shapeand process on 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Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail and Rapid Transit 2021 235 10 1-13.18王权付学义李智丽.钢轨内残余应力的产生及其危害 J .金属热处理2004 29 6 29-33.WANG Q FU X Y LI Z L.Production of the residual stress in the rail and its harm J .Heat Treatment of Metals 2004 29 6 29-33.19吕晶杨其全邹定强等.贝氏体钢轨母材轨头核伤原因分析 J .铁道建筑2020 60 1 120-124.LYU J YANG Q Q ZOU D Q et al.Analysis on cause of rail head transverse cracks of bainite rail base metal J .Railway Engineering 2020 60 1 120-124.20丁韦高振坤宋宏图等.残余应力对贝氏体钢轨使用缺陷的影响 J .铁道建筑2021 61 6 116-120.DING W GAO Z K SONG H T et al.Research on evaluation standard system of chord measurement for track static geometric irregularity of high speed railway J .Railway Engineering 2021 61 6 116-120.21LI Y CHEN J WANG J et al.Study on the effect of residual stresses on fatigue crack initiation in rails J .International Journal of Fatigue 2020 139 2 105750.22昝晓东王强胜生月等.考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析 J .表面技术2018 47 11 151-156.ZAN X D WANG Q S SHENG Y et al.Analysis of fatigue micro-crack on rail surface under plasticity J .Surface Technology 2018 4711 151-156.23梁婕袁希金张亚军等.重轨矫直残余应力有限元模拟研究 J .山西冶金2020 43 2 46-48.LIANG J YUAN X J ZHANG Y J et al.Finite element simulation of residual stress in heavy rail straightening J .Shanxi Metallurgy 2020 43 2 46-48.24秦瑞廷.终轧钢轨热预弯空冷后矫前弯曲度控制机理研究 D .秦皇岛燕山大学2014.QIN R T.Research on final rolling rail control mechanism of curvature before straightening after hot pre-bending D . 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现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望
现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望摘要本文介绍了国内外有对压力容器残余应力分析研究的各种方法，分析了这些方法在实际应用中的优缺点，同时也展望了未来压力容器残余应力测试与评价的发展趋向。
关键词定量测试；残余应力；压力容器1 概述在焊接过程中，由于不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩而引起焊接残余应力和各类焊接变形的产生。
残余应力在材料加工和处理过程中都是难以避免的，是影响焊接结构使用性能和寿命的重要因素。
当焊缝和热影响区附近应力发生很大的变化时，这些部位容易产生裂紋，设备零部件发生损坏的主要原因通常是由残余应力导致的应力腐蚀和疲劳裂纹等缺陷。
因此，明确变化部位对判断和防止裂纹缺陷很有必要[1]。
2 研究的必要性每年压力容器失效造成的损失巨大，据统计美国达700 亿美元，日本高达25000 亿日元，中国也达到200 亿元。
全国现有在用压力容器233.59万台，锅炉60.73 万台，这些设备多数在高温、高压、低温、疲劳、腐蚀性介质下运行，安全寿命长的20 年以上，短的几年甚至几个月，主要由设备的原始缺陷和使用缺陷决定。
材料内部结构不连续性、焊接过程中过大的温度梯度造成了应力集中，在介质、温度和压力的共同作用下诱发裂纹、疲劳损伤和腐蚀开裂的产生，最终导致设备失效。
利用测试技术有效检测出材料由焊接产生的残余应力集中区，将极大程度的预防压力容器缺陷的产生并能对运行中的设备进行细微缺陷的监控，对设备的安全有效运行意义重大[2]。
3 现状分析对于压力容器的容许残余应力，现阶段还没有系统而规范的标准进行评价，因此压力容器残余应力的研究有待深入，且变得格外引人注目。
目前，国内外对压力容器残余应力的研究主要包括：3.1 对残余应力定量分析方法的研究对残余应力的测量方法主要分有损和微损两种，有损的分析方法如削磨面积法和小孔法，需要对检测对象进行破坏取样，在实际工程应用中受到很大限制。
微损的分析方法，包括X 射线衍射法、光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法。
《焊接残余应力的控制研究文献综述4200字》
焊接残余应力的控制研究文献综述1 焊接残余应力的研究现状人们在一开始关注焊接残余应力是在20 世纪30 年代，最早的描述焊接残余应力方法是试验测试法。
随着科技水平的进步，焊接残余应力的测试方法也在朝着更加高效、快捷、无损的方向发展，直至今日，已经有十几种方法被应用到工程实际中，这些方法一般从是否破坏焊接构件的角度出发被分为无损测试和有损测试两大类，目前应用较多的有损测试方法是盲孔法，无损测试方法是超声无损检测和X 射线法。
在应力测试结束后需要考虑残余应力的消除问题，近些年应用广泛的激光喷丸法、超声冲击法正在快速发展，传统的重锤冲击、退火等消除方法也愈加成熟，被广泛应用于大型焊接构件上。
国外部分学者对于焊接残余应力的测试和消除技术一直进行着研究。
2009 年，Wagner等人发现英国材料技术专家TWI 正在开发一种新的残余应力测量技术—DIC技术，可以更容易、更准确地计算焊接部件的结构完整性。
在一个典型的DIC 过程中，一个高分辨率的相机捕捉一个样品在钻孔前后的斑点图像。
将图像加载到计算机中，通过计算图像之间的差值来测量图像中散斑的位移，将这些信息输入到分析或有限元模型中时，就可以计算残余应力。
Hongwei Hu利用非线性超声表面波对3块7075 铝合金试件进行了不同残余应力下的实验研究。
实验数据与模拟结果吻合较好。
结果表明，非线性超声表面波法在残余应力分析中具有很大的潜力。
对于残余应力消除技术，Shigeru Aoki提出了一种新的降低焊接接头残余应力的方法，他用小型振动筛进行的消除试验，微珠附近的拉伸残余应力显著降低，他还通过一个具有非线性弹簧的质量模型的响应分析，验证了该方法的有效性。
Gao表示超声冲击处理（UIT）是一种通过改变焊缝几何形状和残余应力状态来提高焊接接头疲劳寿命的较新技术他研究了六道次焊接高强度调质型钢在超声冲击下的应力松弛。
用同步辐射X 射线衍射法测量了两个正交方向的应力。
残余应力测试与校准方法研究现状与展望
doi:10.11823∕j.issn.1674-5795.2021.02.06残余应力测试与校准方法研究现状与展望王辰辰(航空工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095)摘㊀要:简单介绍了残余应力产生的原因及其对材料性能的影响,分析了现阶段残余应力测试方法的基本原理㊁应用场合和优缺点等,尤其是对目前普遍使用的X射线衍射法㊁中子衍射法㊁纳米压痕法㊁钻孔法等残余应力测试方法进行了详细说明㊂针对残余应力准确测量需求,分析现阶段基于标样法和仪器性能校准的残余应力校准方法,并说明了校准对残余应力准确测量的重要意义,最后总结了残余应力测试与校准方法的发展方向㊂关键词:残余应力测量;无损检测;校准;X射线衍射中图分类号:TB931㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:1674-5795(2021)02-0056-08Review on Measurement and Metrology Methods of Residual StressWANG Chenchen(Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)Abstract:The generation of residual stress and its influence on the performance of materials are summarized.The basic principles,appli-cations,advantages and disadvantages of the current measurement methods of residual stress are analyzed,especially for the methods of X-ray diffraction,neutron diffraction,nanoindentation and hole-drilling.In response to the need for accurate measurement of residual stress,the cur-rent calibration method of residual stress based on sample and instrument function are given.The importance of calibration for accurate residual stress measurement is emphasized.The future development of measurement and calibration methods of residual stress are prospected.Key words:residual stress measurement;non-destructive test;calibration;X-ray diffraction0㊀引言构件在制造过程中会经历各种工艺,由于制造工艺产生的不均匀的机械形变㊁温度变化和相变等,往往使材料产生不均匀的塑性变形㊂去除外部作用后,由于残留的塑性变形对材料的作用,会在材料内部存在相应的弹性变形,以保持构件的平衡状态,并使材料内部产生应力,称为内应力㊂德国学者MacherauchE将内应力分为三类[1]:第一类内应力在材料的较大区域存在并且被认为是均匀的,与之相关的内力和内力矩在物体的各个截面上保持平衡,称这种内应力为宏观内应力;第二类内应力存在于材料的较小范围,在足够多的晶粒范围内,与之相关的内力和内力矩是平衡的;第三类内应力存在于材料的极小范围内㊂目前,工程上普遍将第一类内应力称为残余应力[2]㊂根据GB/T7704-2017‘无损检测X射线应力测定方法“中的描述,将残余应力定义为在没有外力或外力矩作用的条件下,构件或材料内部存在并使自身保持平衡的宏观应力[3]㊂就残余应力产生方法而言,是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均匀的弹塑性变形而引起的,或者说是材料的弹性各向异性和塑性各向异性的反映㊂机械构件一般都滞留有残余应力,在构件加工制造过程中,适当的残余应力可能成为构件强化的因素,而不适当的残余应力则可能导致构件的开裂㊁变形而失效㊂一般来说,在构件受拉时,构件内部的残余拉应力会降低构件强度,降低构件疲劳寿命,而残余压应力可提高构件疲劳寿命[4]㊂在构件使用或服役过程中,残余应力会影响构件的静强度㊁动强度㊁疲劳寿命㊁耐应力腐蚀能力㊁硬度等,不均衡分布的残余应力是构件变形和开裂的根源[5]㊂在工程应用中,残余应力的准确测试是对构件进行性能评估㊁寿命预测㊁失效分析的重要手段,事实上,在各工业领域如航空航天㊁汽车㊁高铁㊁石油冶金㊁核工业等,残余应力测试已经成为必须的检测和控制手段[8]㊂文章探讨残余应力测试和校准技术的进展与发展前景,根据残余应力测试时是否对被测件构成损伤,将残余应力测试方法分为无损测试和有损测试,并对目前已有残余应力测试方法的基本原理㊁优缺点等进行简要叙述㊂分析了针对不同残余应力测试方法的校准技术,并提出残余应力测试仪器校准时的思路㊂1㊀残余应力测试方法研究现状随着国内外对残余应力产生机理㊁材料属性等的研究以及工程和科学研究中的需要,目前,发展了很多中残余应力的测试方法[9],根据测试方法是否对被测件构成损伤,可将其分为无损测试方法和有损测试方法㊂1.1㊀残余应力无损检测技术残余应力无损检测方法又称为物理式残余应力测试方法[10],主要包括X射线衍射法㊁中子衍射法㊁磁测法㊁超声法和纳米压痕法等㊂其中,X射线衍射法㊁中子衍射法的理论相对完善,技术成熟度较高,但在实际测试中,仍存在一定的局限性㊂1.1.1㊀X射线衍射法在目前残余应力的各种无损测试方法中,X射线衍射法是最可靠和实用的㊂该方法理论比较成熟,经过80多年的发展,测试手段和方法完善,广泛应用于机械工程和材料科学领域[11-13]㊂关于X射线衍射法残余应力测定技术和方法,GB/T7704-2017‘无损检测X射线应力测定方法“中有明确的说明和规定㊂X射线衍射技术测定残余应力也是欧美国家认为最可靠的方式㊂欧盟制定并公布的X射线衍射法残余应力测定标准EN15305-2008 Non-destructive Testing-Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffrac-tion ,详细介绍了X射线衍射法测定残余应力的基本原理㊁测量仪器㊁材料特性及测量结果处理方法等[14-15]㊂上海材料研究所㊁上海理工大学㊁西安交通大学㊁爱斯特应力技术有限公司等国内多家研究单位㊁高校和企业都对X射线衍射法残余应力测试技术进行了研究,部分企业还开发相关测试产品㊂X射线衍射法残余应力测试的基础是:在材料内部存在残余应力时,材料会产生一定的应变,而该应变在微观尺度上表现为材料晶格间距的变化,X射线穿透金属晶格时会发射衍射,X射线衍射法是通过测量材料晶格间距的变化衡量残余应力的数值[16]㊂利用X射线衍射法测量残余应力的原理如图1所示,X射线源照射在材料表面一束波长为λ的射线,在2θ角位置接收到的X射线反射强度最大,最大位置一般称为衍射峰㊂图1㊀X射线衍射法残余应力测试原理图在材料内部有应力存在时,平行于应力方向的晶面之间的间距d会减小,则根据布拉格定律[17-18]为2d sinθ=nλ㊀(n=1,2,3 )(1)通过衍射角度θ和X射线波长可以计算材料晶面间距d㊂在材料内部存在应力时,晶面间距变化为d1,可得到材料的应变为ε=d1-dd(2)根据弹性力学理论,各向同性材料的应变可以由三个方向的应力表示,经过计算可以得到材料中的残余应力㊂X射线衍射技术不仅可以用于多种材料残余应力的测量[19-20]还能用于涂层和薄膜残余应力的测量[21]㊂但X射线残余应力检测仍存在:设备比较昂贵;因为X射线在金属中的穿透能力有限,只能检测表面残余应力;对被测材料表面要求较高等缺点㊂1.1.2㊀中子衍射法中子衍射法测量残余应力的工作在20世纪80年代已经开始[22-25],但因为设备昂贵且工程中应用较少,所以一直以来发展比较缓慢㊂近年来,中子衍射技术测量残余应力正越来越受到重视,尤其是在2000年以后,美国㊁英国㊁法国㊁德国㊁澳大利亚㊁俄罗斯等国都陆续建立了中子应力装置㊂与X射线衍射法类似,中子衍射法测量残余应力的基本原理也是基于材料晶格间距的变化,根据中子束波长和布拉格角,计算产生布拉格峰的晶格间距,通过晶格间距的改变量,计算材料因为应力产生的应变,进而利用弹性力学基本原理计算得到残余应力[27]㊂相比较于X射线衍射法,中子衍射法穿透力较强,可用于测量体积较大的固体材料内部的残余应力,利用中子衍射法测量三维残余应力分布㊂在复合材料应力检测和研究中,中子衍射法不会受到表面效应的影响而具有明显优势㊂但中子衍射应力测试设备建造和运行费用昂贵,中子流的流强较弱,在残余应力测量中,运行时间较长,且无法测量材料表面的残余应力[22]㊂1.1.3㊀超声波法超声波法残余应力测试技术已经广泛应用于飞机铝材㊁铁路钢轨㊁焊接板和压力容器等残余应力测试中[19,28],超声波法测量残余应力的基本原理是超声波声弹性效应,通过测定材料内超声波传播速度计算应力分布[30]㊂声弹性效应即施加在材料上的内应力的变化会改变超声波在材料中传播速度的变化,因此可以利用超声波的声弹常数于应力之间的特定关系实现材料残余应力的测试[31]㊂根据超声波类型,可以将超声波残余应力测试方法分为激光超声法㊁电磁超声法㊁纵波脉冲反射法㊁横波双折射法㊁斜入射SH 波法㊁表面波法和临界折射纵波法[32]㊂相关研究表明,沿着应力方向传播的超声纵波对应力最为敏感,如图2所示,临界折射纵波V11的波速相对变化量最大[33]㊂近年来,对于超声临界折射纵波法残余应力测试技术的研究越来越多[34-35],北京理工大学的徐春广教授㊁宋文涛博士等均对超声临界折射纵波残余应力测试方法进行了研究㊂图2㊀声速-应变关系图[33]超声波法残余应力测量深度与超声波发射功率有关,在理论上只要超声波发生功率足够大,可穿透任意厚度的构件,因此,在大型构件三维应力测试中应用广泛㊂超声波法相较于X 射线衍射法残余应力测量精度低,且超声波波形㊁超声波传播方向㊁材料组织和应力状态等都会影响超声波在材料中的传播速度,受耦合效果㊁材料组织均匀性㊁温度等影响较大,但该方法测试仪器简单便携,且超声波对人体健康相对安全,因此超声波法是一种比较有发展潜力的残余应力测试方法㊂1.1.4㊀磁测法磁测法残余应力检测技术[36-37]主要分为磁记忆法㊁磁噪声法㊁磁应变法和磁声发射法[10]㊂磁记忆法基于金属材料的自发磁化现象㊁磁机械效应㊁磁致伸缩和磁弹性效应进行残余应力的测试[38]㊂铁磁材料在载荷的作用下,发生上述物理现象,引起磁畴位移,导致金属磁特性不连续㊂在外部载荷去除后,金属磁特性仍会存在㊂金属在应力集中区域的表面会出现漏磁场,通过测量该磁场强度,便可以检测出应力集中的部位[39]㊂磁噪声法即巴克豪森磁噪声法,铁磁材料在磁化过程中产生的磁畴转动和磁畴壁位移[40],使材料内部产生非连续性的电磁脉冲,通过测量磁感应强度变化来获得材料内部电磁脉冲信号,即可测量出材料的残余应力[41]㊂磁应变法通过铁磁材料磁化现象的改变,计算材料应力状态㊂当材料内有残余应力时,会使材料磁畴移动和转向受阻,因此降低磁化率㊂通过应力与铁磁材料磁导率之间的关系,可以计算出材料的残余应力值㊂磁声发射法利用铁磁材料在磁致伸缩效应下,其体积变化产生的应变使材料产生弹性波,通过声发射仪器,测量弹性波的数值,进而计算出材料的残余应力值㊂磁声发射可以实现动态无损检测,且检测深度大,灵敏度高[42]㊂利用磁测法测量残余应力对环境要求较低,测量速度快,但只适合铁磁材料的检测,测试原理相较于X 射线衍射法㊁中子衍射法等相对模糊,且会出现磁污染等现象,因此,应用范围较小㊂1.1.5㊀纳米压痕法纳米压痕法[10]是一种涉及多学科的科学技术,是新兴的残余应力测试方法,也是公认最具发展潜力的方法之一[43]㊂纳米压痕法测量残余应力借鉴了硬度试验方法和盲孔法残余应力测量方法,是根据应力场干涉理论而形成的一种全新的残余应力测试方法[43]㊂纳米压痕技术在薄膜材料力学性能测试中,可以在不分离薄膜与基底材料的情况下,得到如弹性模量㊁硬度㊁屈服强度㊁加工硬化指数等材料性能参数[44-46]㊂纳米压痕理论主要基于:Suresh 理论模型[47]㊁Lee理论模型[48]㊁Swadener 理论[49]和Xu 模型[50]㊂可以用于等双轴残余应力和非等双轴平面应力的计算㊂研究表明,利用不同的理论模型计算得到的残余应力之间存在差异[51],说明相关理论模型与实际材料压痕之间存在很多因素的影响,目前只能在一定的条件下适用㊂纳米压痕法测量残余应力作为一种新兴残余应力测试方法,相关理论还不成熟,在测试方法㊁计算方法㊁面积函数㊁影响因素等方面仍待深入的研究㊂但因其适用性强,且可以进行微区测试,随着理论的完善和有限元技术的发展,纳米压痕法将成为残余应力测试的重要手段之一㊂1.2㊀残余应力有损检测技术残余应力有损检测方法也称为机械法,主要原理是通过破坏材料,实现应力的释放,通过测量应力释放过程材料产生的位移或应变,计算得到材料原有的应力㊂常用的有损检测残余应力方法有钻孔法㊁切槽法㊁剥层法等㊂1.2.1㊀钻孔法钻孔法属于部分破坏的残余应力测试方法,是目前工程上最常用的残余应力测试方法[10]㊂ASTM协会已经将其列入了标准E837-81,确定了使用钻孔应变测量确定残余应力的标准方法㊂2014年,我国颁布了GB/T31310-2014‘金属材料残余应力测定钻孔应变法“标准[52],对钻孔法残余应力测试方法进行了规范㊂钻孔法测定残余应力主要原理是在材料上钻孔使残余应力松弛,利用应变片测量应力松弛引起的应变,进而计算出残余应力㊂钻孔法可以根据是否将孔钻通分为盲孔法和通孔法,两者测量原理相同,但应变释放系数计算方法不同㊂通孔法应变释放系数可以通过Kirsch理论解直接计算出,盲孔法则需用实验标定[10]㊂盲孔法对材料的损伤程度要低于通孔法[53]㊂利用钻孔法测试残余应力的精度受多方面因素影响,如钻孔直径㊁深度㊁速度㊁应变片粘贴位置㊁应变片尺寸等㊂因此,在使用钻孔法测量残余应力时,务必按照国标中规定的程序和方法进行㊂1.2.2㊀切槽法切槽法残余应力测试方法也是一种半破坏的应力释放法[10]㊂切槽法的基本原理是在材料上切槽形成残余应力释放区,利用应变片或应变花测量应力释放产生的应变,求出切槽部位的残余应力㊂对于单向应力状态,使用切槽法测试残余应力时,将应变片粘贴在测点位置,在测点周围切割出两条直线形细槽,如图3所示,则可以通过应变片的变化,计算出测点位置的残余应力㊂图3㊀单向应力状态下切槽法残余应力测量[10]对于双向应力状态,一般需要在测点位置粘贴应变花的方式测量,切槽可以选择直线形细槽或环形细槽,如图4所示㊂图4㊀双向应力状态下切槽法残余应力测量[10]切槽法残余应力测试操作比较简单,应变数据测量方便,对结构的损伤相对于剥层法较小,但其对结构的损伤仍会降低材料的力学性能㊂现阶段没有关于切槽法的国际标准㊁国家标准和行业标准,因此,详细的操作和注意事项没有明确的规定,不同操作人员得到的结果可能会有所不同㊂1.2.3㊀剥层法剥层法测量残余应力是一种发展时间较早的方法,剥层法可以得到构件深度方向的残余应力分布,因此可以用来测量三维残余应力㊂剥层法的基本原理通过逐层去除材料,使残余应力释放,残余应力的释放引起材料应变,利用应变片测量应变即可得到剩余部分的残余应力值㊂剥层法一般使用机械切削或电化学腐蚀等方法将材料逐层去除,使用机械切削的方法剥层时,会引进应力,不同的机械切削方法引入的应力类型和大小不同㊂剥层法可以用于各向异性材料残余应力的测量,主要用于测量材料厚度方向的残余应力,但随着测量厚度的增大,对构件的损伤会越来越大㊂表1列出了残余应力主要测试方法及其优缺点㊁应用场合等㊂表1㊀残余应力测试方法及优缺点分类测试方法优势劣势无损检测法X射线衍射法理论成熟㊁精度高㊁使用广泛设备昂贵㊁检测深度浅㊁有一定的辐射中子衍射法可检测三维应力㊁空间分辨力高设备建造和运行费用昂贵㊁运行时间长㊁无法检测表面残余应力超声波法安全㊁可检测表面和内部残余应力㊁便携㊁成本低受耦合效果㊁材料组织影响较大磁测法可动态检测㊁检测深度大㊁灵敏度高只可用于铁磁材料㊁原理不清晰㊁会产生磁污染纳米压痕法适用性强㊁可进行微区检测理论不成熟有损检测法钻孔法精度高㊁理论成熟㊁应用广泛影响因素较多㊁需要标定㊁有损切槽法操作简单㊁数据测量方便㊁损伤较小没有详细的操作和注意事项剥层法可以测量厚度方向的应力损伤较大2㊀残余应力校准方法研究现状合理的校准方法是保证测试结果准确可靠的关键技术手段㊂相对于残余应力测试方法,对相应校准方法的研究较少㊂针对不同测试技术相应的校准方法也有所不同,但目前,大部分都是通过各种方法制作标样[3,54-59],实现残余应力测量仪器的校准㊂在X射线衍射法㊁中子衍射法的校准中,也涉及了部分仪器的校准要求和方法㊂2.1㊀标样类校准方法[3,54-59]标样类校准方法即通过制备定值残余应力的标样或试块,使用残余应力测试仪器测量标样的残余应力值,通过比较仪器测量值与标样设计值,完成残余应力的校准㊂标样法校准的关键的问题为标样的制备和定值㊂关于标样的制备,现有的方法基本原理均为通过不同方式在某种形状和尺寸的构件上进行加载,利用理论力学和材料力学原理,计算加载构件中的应力作为标样的标准值㊂GB/T7704-2017附录D中提出使用等强度梁法通过实验测定X射线弹性常数和应力常数㊂等强度梁结构如图5所示,在梁的各横截面上的最大正应力均相等㊂根据梁的尺寸㊁加载砝码质量㊁当地重力加速度可计算出梁的横截面的应力值,将该应力值作为标准值,对X射线衍射法残余应力测试仪进行校准㊂图5㊀等强度梁加载示意图另外一种普遍使用的试块制备方法是通过标准拉压试验机对一定尺寸的试块加载,通过计算试块垂直于加载方向的截面积和标准拉压试验机加载力值,得到试块应力值,对X射线衍射法㊁超声波法㊁钻孔法等残余应力测试方法进行校准㊂除此之外,通过螺栓预紧力㊁装配挤压㊁C形环[34,58]等方式的标样制备方法也被应用于残余应力的校准㊂上述所有通过制作标样的方式,均是使用不同的加载方式对试块进行加载,计算加载力在试块中的应力值㊂但试块自身的初始应力值即使经过调控也不可能完全消失,这就导致试块最终的应力值与施加的应力值之间存在偏差,使校准结果产生偏差㊂对于同一图6㊀C形环校准方法示意图[34]个试块,在使用同种方法制作标样时,应力的变化量与施加的力值变化量之间具有相关性,在材料弹性变形范围内,可以认为两者的变化量为线性变化,进而可以实现残余应力测试设备相对量的校准㊂2.2㊀残余应力测试仪器的校准不同的残余应力测试方法对应的测试仪器不同,相应的校准方法也不同,国际和国内相关标准中对X 射线衍射法残余应力测量仪器性能校准提出了要求㊂在欧洲标准EN15305-2008和EN13925-3[60]中规定了X射线衍射设备和测角仪性能的校准方法,通过获得角度偏差曲线㊁宽度曲线㊁幅值强度曲线㊁形状分析曲线等完成X射线衍射设备的校准㊂对于残余应力测试仪器性能的直接校准,相关研究非常少㊂除上述对X射线衍射设备的校准外,中国原子能科学研究院对中子残余应力谱仪的校准开展了研究[61],但整体对于仪器本身的校准仍然很少㊂仪器性能直接关系到对测量结果的评估,是实现残余应力准确测量非常重要的环节,在后续研究中,应注重对残余应力测试仪器性能的校准㊂3㊀总结与展望经过分析,残余应力无损测试技术不会对构件造成损伤,也不会改变材料的力学性能,相对于有损测试具有明显的优势,但每种残余应力无损测试方法都存在其局限性㊂其中X射线衍射法测量残余应力是目前残余应力无损测试方法中理论相对成熟㊁操作也相对简单的方法,但在实际工程应用中的测试结果往往与预期结果之间差别较大;纳米压痕方法,物理背景清晰㊁理论成熟㊁测试结果与有损检测中的钻孔法结果比较接近,是残余应力测试技术发展中一个值得关注的方向㊂有损测试方法相对于无损测试方法发展更加成熟,测试设备和仪器价格便宜㊁操作简单,钻孔法是最成熟㊁最简便㊁测量结果最准确的残余应力测试方法之一,但为了保证测量结果的准确,必须严格按照规定步骤操作㊂现阶段,对于残余应力的校准方法的研究明显不足,而校准是保证残余应力测试结果准确可靠的必要手段,也有助于残余应力测试技术进步和测试理论的完善㊂目前,标准残余应力标样(试块)的制备方法均无法保证试块绝对应力值的准确,也就直接导致使用标样(试块)对残余应力测试仪器校准存在很大的误差,且单纯的依靠制备标样无法完全解决残余应力校准的问题㊂应当从测试方法㊁测试仪器本身性能出发,探索仪器的校准方法和测量方法的验证技术,将残余应力溯源至国际基本量,再结合材料检验的特性,完善测试方法,最终保证残余应力测试结果的准确性㊂参考文献[1]张定栓,何家文.材料中残余应力的X射线衍射分析和作用[M].西安:西安交通大学出版社,1999:3-6. 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残余应力分析报告
残余应力分析报告1. 引言残余应力是指材料在外力作用后，去除外力后仍然存在的应力。
它是材料内部微观结构产生的结果，对材料的性能和稳定性具有重要影响。
残余应力分析是研究材料力学行为的重要手段，可以帮助我们了解材料的变形特点和失效机制。
本报告将介绍残余应力分析的基本原理和方法，并结合实际案例进行分析。
2. 残余应力的产生机制残余应力的产生可以归结为以下几个方面：2.1 热应力材料在冷却过程中由于温度梯度而产生的热应力是导致残余应力的主要原因之一。
当材料的不同部分受到不同的温度影响时，会出现不均匀的热膨胀，从而引起应力的产生。
2.2 加工应力加工过程中的机械变形也会导致残余应力的产生。
例如，材料的塑性变形、切削加工和焊接等过程中，由于材料受到外力作用而发生形变，一旦去除外力，材料便会维持一定的应力状态。
2.3 相变应力材料的相变过程也会引起残余应力的产生。
例如，金属在固相转变时，由于晶格结构的变化，会引起应力的产生。
3. 残余应力分析方法残余应力分析可以采用多种方法，常见的有以下几种：3.1 X射线衍射方法X射线衍射方法是一种常用的非破坏性测试方法，可以通过测量材料晶体的衍射图样来分析残余应力。
通过对衍射峰的位置和强度进行分析，可以确定残余应力的大小和分布情况。
3.2 高能同步辐射方法高能同步辐射方法是一种精密的残余应力分析方法，可以提供更高的分辨率和更精确的测量结果。
该方法利用高能同步辐射源产生的高强度辐射束，通过测量辐射束的散射特性来分析残余应力。
3.3 数值模拟方法数值模拟方法是一种基于数学建模和计算机仿真的分析方法，可以通过建立材料的力学模型和边界条件来计算残余应力。
该方法可以通过调整模型参数和边界条件来模拟不同情况下的残余应力分布。
4. 残余应力分析案例分析以某航空发动机叶片为例，进行残余应力分析。
通过X射线衍射方法对叶片进行测试，得到了残余应力的分布情况。
结果显示，叶片的根部和尖部存在较大的残余应力，而中部相对较小。
超声检测表面残余应力的研究与发展
超声检测表面残余应力的研究与发展[摘要] 金属表面与内部残余应力的存在对构件的力学性能有重大影响。
介绍了超声检测残余应力的研究现状和应用领域，从分析超声检测残余应力的原理、方法和特点着手，为开发能满足现场使用要求的检测系统，对几个关键技术进行了重点分析，并指出超声检测残余应力的发展方向和广阔的应用前景，为开展进一步研究提供借鉴与指导。
[关键词] 超声波；检测；残余应力0 引言金属表面残余应力是在构件不论是否承受外加载荷的状态下，仍以平衡状态存在于构件的应力。
当此应力平衡被破坏时，构件会产生宏观的尺寸变化。
残余应力的存在对材料的力学性能有重大影响，在焊接构件的制造和热处理过程中尤为明显。
存在残余应力，一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造完成后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。
在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及高温蠕变开裂的能力都将大大下降，从而造成使用中的问题，许多灾难性事故常常由此引发。
因此，金属构件表面残余应力的检测对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果以及废品分析等均具有非常重要的意义。
1 超声检测残余应力的特点超声波法是利用材料的声弹效应(即施加在材料上的内应力变化引起超声波传播速度的变化，其大小取决于超声波的波型、传播方向、材料组织和应力状况等)，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分布。
与其它一些方法相比，具有下列特点：1)超声波的方向性较好，具有光波一样良好的方向性，可以实行定向发射。
2)对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。
在一些金属材料中，其穿透能力可达数米，故能无损测定实际构件表面和内部(包括载荷作用应力和残余应力)的应力分布。
3)采用新型电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害。
4)超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，如果配上相应的换能器(探头)，还可用来探伤或测定弹性模量，可一机多用。
残余应力及检测方法
残余应力及检测方法一、残余应力简介及检测方法对比众所周知，工件在制造过程中，会受到各种因素的作用与影响。
当这些因素消失之后，若构件所受到的作用与影响不能完全消失，则会有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响，称作残余应力。
残余应力对工件有着很大的伤害，会使工件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。
针对这一问题，在现在的科技环境下，产生了几种检测应力的方法，这几种方法都存在各自的优缺点，对比图如下：现阶段行业内主要使用以下几种方法检测残余应力：（1）盲孔法盲孔法的优点在于有较好精度，而缺点也比较明显，即检测过程中需要损坏材料的结构。
（2）X射线衍射法X射线衍射法经过了市场的检验，优点是技术较为成熟且稳定，缺点是检测仪器比较笨重，操作耗时且伴随着辐射。
（3）超声波应力检测法超声波应力检测法的优点在于操作简便、快速、不损伤材料，也不会对检测人员造成伤害。
而它的缺点就在于这是一项新的技术，虽然经过多家大型实验室的测验，但是市场检验度还不够高。
综合来看，超声波应力检测技术具有很大的现场适用性，下文对该技术进行详细介绍。
二、超声波应力检测技术1、超声波应力测试仪近些年国内超声波应力检测技术的研究进展较快，下图展示为我公司自主研发的一台超声波应力测试设备及配套软件，它是一款工业级高精度超声波应力测量设备，通过软件实现信号的激发和采集，根据声弹性理论进行残余应力的计算，可无损测定被测对象积聚的应力。
超声波应力测试设备（采集模块）超声波应力测试信号处理系统（显示操作模块）该设备符合国标GB/T 32073-2015《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》的要求，具备频率设置、滤波、超声激励、残余应力值计算等基本功能。
以下为该设备具有的优势和特点：•可同时测量应力、声时、壁厚、声速，实时显示超声波形，具有一定探伤功能；•配备高频数据采集卡，对上万次测量结果进行算法优化，测量结果更准确；•集成了温度传感器，通过温度补偿消除温度对检测结果的影响；•采集模块分体式设计，易于拆装，可无线连接显示操作模块，移动性强，易于现场使用；•设备可搭载锂电池独立供电，有效地解决了野外现场供电难的问题；•优良的抗干扰能力和可靠性，拥有出色的信噪比。
铸造残余应力的测定实验报告
铸造残余应力的测定实验报告1. 实验目的(1) 了解铸造残余应力的产生原因。
(2) 了解用应力框测定铸造残余应力的方法。
(3) 了解退火对消除残余应力的效果。
2. 实验原理2.1 铸造应力铸件在凝固和冷却过程中由于各部分体积变化不一致导致彼此制约而引起的应力称为铸造应力。
铸造应力可分为三种，即热应力、相变应力和收缩应力。
铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残余应力。
铸造应力对铸件质量有重要影响，如果铸造应力超过材料的屈服强度，铸件则产生变形；如果铸造应力超过材料的强度极限时，铸件则产生裂纹。
残余应力还会降低铸件的使用性能，如失去精度、在使用过程中造成断裂或产生应力腐蚀等。
2.2 铸造应力的测定方法——应力框试验法图1为测定铸造残余应力的框形铸件，由于I 杆和II 杆截面尺寸差别大，因而铸造后细杆I 中形成压应力，粗杆II 中形成拉应力。
若在A-A 截面处将粗杆锯开，锯至一定程度时，由于截面变小，粗杆被拉断。
受弹性拉长的粗杆长度较自由收缩条件下的长度缩短，其缩短量∆L 和铸造残留应力成正比，其值可根据锯断前、后粗杆上小凸台的长度(L 0 ,L 1）差求出，即∆L ＝L 1一L 0。
铸造残留应力σ1和σ2的计算公式为：细杆残留应力σ1＝－E)21(211F F L L L +- ，粗杆残留应力σ2＝－E )21(1201F F L L L +-图 1 应力框铸件图式中：σ1，σ2——细杆、粗杆中的铸造应力（MPa ）； L 0，L 1——锯断前、后小凸台的长度（mm ）； F 1，F 2——细杆、粗杆的横截面积（mm 2）；L——杆的长度，L=130mm；E——弹性模量，普通灰铸铁取9×104MPa，球墨铸铁取1.8×105MPa。
2.3减小及消除残余应力的方法铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。
残余应力测量研究现状综述
残余应力测量研究现状综述本文综述了残余应力测量的研究现状，包括基本原理、技术手段、应用领域、发展趋势和不足等方面。
通过对所搜集的文献资料进行归纳、整理和分析比较，总结了前人研究的主要成果和不足，并指出了研究的空白和需要进一步探讨的问题。
同时，本文也提出了自己的优点和不足，并展望了未来研究的方向和前景。
残余应力是指材料在加工、处理或使用过程中，由于受到外部载荷、温度变化、化学腐蚀等因素的影响而产生的内在应力。
残余应力的存在会对材料的力学性能、疲劳寿命、抗腐蚀性能等方面产生重要影响，因此对其进行准确测量和有效控制具有重要意义。
本文旨在综述残余应力测量的研究现状，并分析其发展趋势和不足，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
残余应力测量的基本原理是依据材料的弹性力学性质，通过测量材料表面的应变来推算内部的残余应力。
常用的残余应力测量方法有：X 射线衍射法、超声波法、电磁测量法、压痕法等。
其中，X射线衍射法具有较高的测量精度和广泛的应用范围，被视为残余应力测量的金标准。
残余应力的测量需要借助一定的技术和设备，如X射线衍射仪、超声波测试仪、电磁测量仪等。
实验流程一般包括以下几个步骤：样品制备、表面处理、测量点的选择和标识、仪器设备的调试和校准、数据采集和处理、结果分析和报告编写等。
残余应力测量在众多领域都有广泛的应用，如机械制造、航空航天、土木工程、生物医学等。
例如，在机械制造领域，通过对发动机缸体、曲轴等关键部件的残余应力测量，可以有效地预测其在使用过程中的应力释放和疲劳裂纹扩展情况，为产品的设计和优化提供依据。
在生物医学领域，对骨骼、牙齿等生物材料的残余应力测量可以帮助理解生物组织的生长和修复机制，为临床治疗和预防提供指导。
随着科学技术的发展，残余应力测量在理论和方法上都在不断进步和完善。
发展趋势主要体现在以下几个方面：多元化测量技术的开发和应用，如多物理场耦合测量技术、光学测量技术等；智能化和自动化测量系统的研究和开发，如基于机器视觉的自动化测量系统；测量精度和可靠性的提高，如采用更先进的算法和设备，优化实验流程等。
残余应力测试实验报告
一、实验目的本实验旨在通过残余应力测试，了解材料在制造过程中的残余应力分布情况，为优化加工工艺、提高产品质量提供依据。
通过本次实验，我们希望能够掌握以下内容：1. 残余应力的概念及其对材料性能的影响。
2. 残余应力测试方法及原理。
3. 残余应力测试设备的使用与操作。
4. 残余应力测试数据的处理与分析。
二、实验原理残余应力是指材料在加工过程中由于各种因素（如热处理、机械加工等）引起的内应力，在加工完成后仍然存在。
残余应力对材料的性能、使用寿命和可靠性具有重要影响。
因此，对残余应力进行测试和分析，对于优化加工工艺、提高产品质量具有重要意义。
残余应力测试方法主要有机械检测法和无损检测法。
本实验采用机械检测法中的盲孔法进行残余应力测试。
三、实验材料与设备1. 实验材料：20CrMnMo钢棒。
2. 实验设备：应变花、应变片、INV3062T智能信号采集仪、INV1861A应变调理仪、DASP-V10工程版数据采集和信号处理软件、导线及工具。
四、实验步骤1. 将20CrMnMo钢棒加工成所需形状和尺寸。
2. 在钢棒上选择测试部位，用砂纸打磨去除氧化层，并清洗干净。
3. 将应变花粘贴在测试部位，用导线连接应变片和信号采集仪。
4. 启动信号采集仪，进行初始平衡，记录应变片初始应变值。
5. 使用专用刀具在应变花中心位置钻孔，形成盲孔，释放残余应力。
6. 等待残余应力释放完全后，停止采样，记录应变片应变值。
7. 使用DASP-V10工程版数据采集和信号处理软件对测试数据进行处理和分析。
五、实验结果与分析1. 残余应力分布情况：通过实验，我们得到了钢棒测试部位的残余应力分布情况。
结果表明，钢棒内部存在一定的残余应力，且分布不均匀。
在加工过程中，由于热处理和机械加工等因素的影响，钢棒内部产生了一定的拉应力和压应力。
2. 残余应力对材料性能的影响：残余应力对材料的性能具有重要影响。
在材料的使用过程中，残余应力可能导致以下问题：（1）降低材料的疲劳性能：残余应力会加速裂纹的产生和扩展，降低材料的疲劳性能。
残余应力测试报告
残余应力测试报告1. 引言残余应力是物体在经历了外力作用后，消除外力作用后仍然存在的内部应力状态。
残余应力测试是一种评估材料或构件内部应力状况的方法，对于判断材料的工艺性能以及结构的可靠性具有重要意义。
本报告旨在对进行残余应力测试的方法、测试结果以及结论进行详细的描述。
2. 测试方法在本次残余应力测试中，我们使用了非破坏性测试方法进行测试，具体测试方法如下：1.X射线衍射法：X射线衍射法是一种常用的测试方法，可通过测量材料中的晶体结构来估计残余应力的大小和分布。
在测试中，我们使用了X射线衍射仪对待测试材料进行扫描，并分析衍射图谱来获得残余应力的信息。
2.中子衍射法：中子衍射法与X射线衍射法相似，但使用的是中子束而不是X射线束。
中子具有与材料发生相互作用时不同于X射线的特性，因此中子衍射法可以提供不同的测试结果。
我们在本次测试中也使用了中子衍射法来对测试样品进行分析。
3.光栅法：光栅法是一种基于光学原理的残余应力测试方法。
通过测量材料表面反射光的偏移来获得残余应力的信息。
在测试中，我们使用了专用的光栅仪器来对测试样品进行测试。
3. 测试结果经过以上测试方法的应用，我们获得了如下的测试结果：1.X射线衍射法：通过X射线衍射仪对样品进行测试后，我们得到了样品不同区域的衍射图谱。
进一步分析衍射图谱，我们获得了样品中的残余应力分布情况。
测试结果显示，在样品的表面以及深入一定厚度的地方都存在着不同程度的残余应力。
2.中子衍射法：使用中子衍射仪器对样品进行测试后，我们得到了样品的中子衍射图谱。
通过分析图谱，我们发现样品的不同位置存在着不同的残余应力大小。
尤其是在样品的焊接处以及表面附近的区域，残余应力较高。
3.光栅法：通过光栅仪器对样品进行测试，我们观察到样品表面的光栅条纹发生了偏移。
根据光栅条纹的偏移情况，我们可以推测样品的残余应力分布情况。
测试结果显示，在样品的边缘处以及焊接部位都存在着较大的残余应力。
4. 结论根据以上测试结果，我们得出了以下的结论：1.测试样品在进行加工和焊接过程中产生了残余应力，并且这些残余应力在不同区域存在着差异。
盲孔法残余应力检测系统设计
盲孔法残余应力检测系统设计摘要机械零部件和构件在制造时，材料内部会产生残余应力，不恰当的残余应力分布会影响构件尺寸稳定性，以及使用安全，因此，如何测量构件内部的残余应力分布就成为一项关乎构件使用安全的重要内容。
本文在对目前常用的各种应力检测方法进行分析比较的基础上，选用目前可靠性最高的一种方法——盲孔法作为研究对象，在对该方法进行研究过程中，对盲孔法所用的应力测试系统进行了设计。
本文在盲孔法残余应力测试系统设计硬件方面的工作包括：针对盲孔法应力测试需要，对测试用应变片，单片机和显示屏进行优选，同时对测试系统的电源、信号放大、AD转换以及相关接口电路等进行了设计。
本文在软件方面的工作包括:下位机总体软件架构，定时器程序，A/D转换程序，主程序，LCD显示程序以及键盘程序的设计。
本文通过对应力测试系统硬件和软件的设计，来实现盲孔法残余应力的测试。
关键词：残余应力盲孔法应变测试单片机Blind hole method of residual stress detection system designABSTRACTMechanical parts and components at the time of manufacture, material internal residual stress, inappropriate residual stress distribution will affect the stability of component size, as well as the use of safety, therefore, how to measure the residual stress distribution of the components has become one of the most important contents to the safety of using components.In this paper, on the basis of analysis and comparison of a variety of stress detection, selection of the highest reliability of a method——Blind hole method for the study, the methods of the research process, stress test systems used by the blind hole method design.The blind hole method of residual test system design in terms of hardware include: the need for stress testing of the blind hole method, Optimization of the test strain gage, microcontroller and display, at the same time, designed the signal amplification, AD conversion and interface circuit of test system.The software include: design of the machine overall software architecture, the timer program, the A / D conversion process, the main program, the LCD display program, and a keyboard program.In this paper, through the design of the stress test system hardware and software, realized the blind hole method of residual stress test.KEYWORDS：Residual stress Blind hole method Strain TestSingle chip microcomputer目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论 (1)1.1 研究目的和意义 (1)1.2 研究现状和发展趋势 (1)1.2.1残余应力研究现状和发展趋势 (1)1.2.2应变仪的发展现状和发展趋势 (2)1.3 本文研究内容和方法 (5)1.3.1 本文主要研究内容 (5)1.3.2 本文主要研究方法 (5)第二章残余应力测试仪总体设计方案 (6)2.1 残余应力测试仪硬件设计 (6)2.2 残余应力测试仪软件设计 (7)第三章残余应力测试仪硬件部分 (8)3.1 信号采集部分 (8)3.1.1 应变片 (8)3.1.2 惠斯登电桥电路 (9)3.2 电源 (10)3.3 信号采集调理部分 (11)3.3.1 信号放大部分 (11)3.3.2 模数转换部分 (13)3.4 数字主电路部分 (15)3.4.1 单片机 (15)3.4.2 LCD12864液晶显示 (17)3.4.3 键盘部分 (18)第四章残余应力测试仪软件部分 (21)4.1 下位机软件的构成 (21)4.2 定时器 (21)4.3 A/D转换程序 (22)4.4 主程序 (23)4.5 LCD12864 (25)4.6 键盘软件设计 (27)第五章总结与展望 (29)5.1 全文总结 (29)5.2 展望 (29)致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。
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摘要 : 针对残余应力测量的重要性 , 对目前残余应力的测量方法进行了综述和展望 。阐述了传统的测量残余应力的方 法及其应用情况 , 介绍了几种新型的残余应力的测量方法及其适用范围 , 指出残余应力的测量技术正朝着无损 、快捷 、在 线测量等方向发展 。
关键词 : 残余应力 ; 测量 中图分类号 : TH123 + 14 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 6 - 213 - 4
距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化 , 从而
使 X射线衍射谱线发生位偏移 , 根据位偏移的大小
可以计算出残余应力 (如图 2 所示 ) , 式 ( 3 ) 是 X
射线衍射法计算残余应力的基本公式 [5 ]
σ=
-
2
(
E 1 +ν)
·1π80·coθt 0·99s2iθn2φφ
(2)
式中 : σ为表面残余应力 ; E 为弹性模量 ; ν为泊松
行相应的计算 ,
便可求得该点的
2
个主应力
σ 1
、σ2
和 1个主方向角 θ[1 ] , 计算公式为
σ 1, 2
ε =1
+ε2
4A
±1 4B
(ε1
-
ε 2
)
2
+ [ 2ε3
-
(ε1
+ε2 ) ]2
tan2θ=
2ε3 ε
2
ε 1
-
-
ε 1
ε 2
(1)
式中 :
ε 1
,
ε 2
,
ε 1
分别为由应变计测得到的应变
·214·
机床与液压
第 35卷
型小孔法测量装置是目前国内市场上较成熟的产品 。
钻孔法测量残余应力也可以采用光弹覆膜法 。严
格地说 , 光弹覆膜法属于一种光学方法 , 它是应用光
学中的偏光性进行应力测定的 , 覆膜材料采用酚醛系
或醇酸系树脂 [3 ] 。光弹法测量残余应力 , 应变测定范
围大 , 测定精度高 [4 ] 。
可测量出绝对残余应力 , 还分别测算出轴向 、切向和
径向上的残余应力 , 是确定陶瓷残余应力及弯曲面和
球面最常用的方法 [7 - 8 ] 。
X射线衍射法需要价格昂贵的 X射线衍射仪。
目前国内外厂商生产的 X 射线衍射仪的产品很多 ,
如芬兰 Stresstech 公司生产的 STRESS3000 便携式 X
射的 , 而中子射线是由原子核散射的 , 中子的穿透深
度比 X射线大得多 , 对于钢可达 50mm , 可以用来测
量钢的焊接结构沿层深的残余应力 。为了获取高分辨 率 , 需要高强度中子束 , 因此 , 只有反应堆或中子加 速度器才能满足要求 [10 ] 。
113 磁测法
11311 磁应力法
磁应变法测量残余应力是利用铁磁性物体的磁致
测线 圈 中 引 起 噪 声
检测技术于一体的
(BN ) 。研究表明 , BN
多功能磁弹性仪
对材 料 的 微 观 结 构、
晶粒度 、晶粒缺陷及作用应力等因素很敏感 。对于正
磁致伸缩材料 , 当外磁场平行于应力时 , BN 信号正
比于拉应力而反比于压应力 。BN 信号也与应力及磁
场的方向有关 。故由 BN 信号可计算出材料的残余应
Presen t Research Sta tus of M ea sur ing Residua l Stress
J IANG Gang1 , TAN M inghua2 , WAN G W eim ing3 , HE W en1
(11College of M echanical and Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang
p 0
9τxy 9y
dx
(6)
(σy ) p
= (σx ) p
-
(σ1
-
σ 2
)
p
co
s2θp
(7)
(τxy ) p=Βιβλιοθήκη (σ1-σ 2
2
)
p
sin2θp
(8)
式中 : (σx ) 0 为边界的已知应力值 , 对于自由边界
(σx ) 0
= 0,
τ xy
为
剪
应
力
,
θ 为任意点 p
p主方向角。
计算时用增量代替微分 , 任意点 p的主应力为 [12 ]
σ 1
-
σ 2
=αI90co-s2θI0
(5)
式中 : θ为最大主应力方向和自行设定的 X 轴的夹
角 ; I0、 I45、 I90分别为与 X 轴成 0、 45°、90°三个方 向电流输出值 。
当得到某点 p的主应力差和主方向角 , 则该点的
应力分量可用切应力差法求得 :
∫ (σx ) p
= (σx ) 0 -
;
A,
B 为释放系数 ;
θ为残余主应力
σ 1
方向与应变计
1轴
向的夹角 。
由于该方法易于现场操作 、工件创伤面积小 、精
度较高以及设备较便宜 , 因此在工程上测量表面残余 应力常采用此法 [2 ] 。郑州机械研究所生产的 ZDL 2Ⅱ
3 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (No150305036) ; 浙江省留学回国人员科研启动基金资助项目 (J20060043) © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
1 传统的残余应力测量方法 目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类 。
( 1) 机械法 。有取条法 、切槽法 、剥层法 、钻孔法 等 。机械法测量残余应力需释放应力 , 这就需要对工 件局部分离或者分割 , 从而会对工件造成一定的损伤 或者破坏 , 但机械法理论完善 , 技术成熟 , 目前在现 场测试中广泛应用 , 其中尤以浅盲孔法的破坏性最 小 。 ( 2) 物理检测法 。主要有 X 射线法 、超声法和 磁性法 。这些方法均属无损检测法 , 对工件不会造成 破坏 。
伸缩效应 。对普通结构钢来说 , 在无应力作用时 , 可
认为是磁各向同性体 , 当发生弹性变形时 , 则产生磁
各向异性 , 即各个方向的磁导率将发生变化 。磁应力
法就是通过测定磁导率的变化来反映应力的变化 , 磁
导率的变化通过传感器反映为磁路的阻抗变化 [11 ] 。
磁应变法用磁测仪测量残余应力 。目前市场上较
310027, China; 21M achine Shop , Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China;
31J inhua Testing Center for Special Equipment, J inhua Zhejiang 321000, China)
射线应力分析仪 。
11212 中子射线衍射法
中子射线衍射法以中子流为入射束 , 照射试样 ,
当晶面符合布拉格条件时 , 产生衍射 , 得到衍射峰并
通过研究衍射束的峰值位置和强度 , 可获得应力或应
变及结构的数据 。该方法的原理与普通 X 射线衍射
方法类似 [9 ] 。主要差别在于 X 射线是由电子壳层散
112 射线衍射法
11211 X射线衍射法
X射线衍射法
检测 残 余 应 力 的 依
据是 根 据 弹 性 力 学
及 X射线晶体学理
论 。对 于 理 想 的 多
晶体 , 在无应力的
状态下 , 不同方位
的同 族 晶 面 间 距 是
图 2 X射线衍射原理图
相等的 , 而当受到
一定的表面残余应力 σ时 , 不同晶粒的同族晶面间
比;
θ 0
为所选晶面在无应力情况下的衍射角
;
φ为试
样表面法线与所选晶面法线的夹角 ; 2θφ 为样品表面
法线与衍射晶面法线为 φ时的衍射角 。
图
2中 ,
φ 0
为入射线与表面法线间的夹角
;
η为
入射线 (衍射线 ) 与晶面法线的夹角 。
采用 X 射线衍射法测量残余应力准确 、可靠 ,
特别当应力在小范围内急剧变化时最有效 [6 ] 。此方法
2007年 6月 第 35卷 第 6期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Jun1 2007 Vol135 No16
残余应力测量方法的研究现状 3
蒋刚 1 , 谭明华 2 , 王伟明 3 , 何闻 1
(11浙江大学机械与能源工程学院 , 浙江杭州 310027; 21浙江大学机械厂 , 浙江杭州 310027; 31金华市特种设备检测中心 , 浙江金华 321000)
111 钻孔法
假定物体表面存在残
余应力 , 此应力处于平面
应力状态 , 在该平面某点
上钻一个小孔 , 孔边的径
向应力下降为 0, 孔区附
近应力重新分布 。若在钻
孔之前 , 在该点贴上三向
应变计 , 如图 1 所示 , 钻 孔之后 , 应变计便感受到
图 1 钻孔法示意图
应力释放产生的应变 , 通过测量应变计的应变 , 并进
成熟的有邯郸爱华机械电子厂生产的 CCYL 型磁测
仪 。其基本原理是通过传感器和一定电路将磁导率的
变化转变为电流量的变化 , 建立应力和电流量的函数
关系 , 通过电流量的测量来确定应力 , 对于平面应力
状态 , 主应力差和两个方向的电流差近似地存在着单
值的线性关系 , 其表达式为