残余应力测量方法的研究现状

力状态 。当磁探头在材料表面转动一圈 , 最大与最小
的 BN 信号在材料的磁各向异性不强时 , 对应于两个
主应力 源自文库比较材料在无应力及有应力状态时的 BN 信 号值 , 便可以求出一对主应力 [9, 13 - 14 ] 。在美国已有根
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
Keywords: Residual stress; M easurement
0 引言 各种机械工艺如铸造 、切削 、焊接 、热处理 、装
配等都会使工件内出现不同程度的残余应力 。残余应 力产生的原因 , 可分为外部作用的外在原因和来源于 物体内部组织结构不均匀的内在原因 。残余应力的存 在 , 一方面工件会降低强度 , 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后的自然 释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强 度 、应力腐蚀等力学性能降低 。因此 , 残余应力的测 量 , 对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的 意义 。本文结合实际应用综合阐述了目前对残余应力 测量比较常用的一些方法 , 并介绍了当前国内外新型 的一些残余应力测量方法 , 在此基础上对残余应力测 量的发展趋势进行了分析 。
Abstract: A im ing at the significance of measuring residual stress, the summary and p rospect of measuring residual stress at p res2 ent were p resented1The traditional measuring methods for residual stress and their app lication were set forth1Several new measuring methods and their app licabilities were introduced1 It is pointed out that the technique of measuring residual stress is develop ing in the direction of non2destructive, fast and real2time method1
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
(σ1 ) p
=
(σx ) p
+ 2
(σy ) p
+
(σx ) p - (σy ) p 2
2
+
(τxy
)
2 p
(9)
(σ2 ) p
=
(σx ) p
+ 2
(σy ) p
-
(σx ) p - (σy ) p 2
2
+
(τxy
)
2 p
( 10)
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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
-
σ 2
)
(3)
式中 :
σ 1
为最大主应
力
;
σ 2
为最小主应力
;
I1 为最
大主应力方向电流输出值 ; I2 为最小主应力方向电流
输出值 ; α为灵敏系数 。
主应力方向未知时 , 可用下式确定主应力方向角
和主应力差
θ= - 1 arctan [ 2 I45 - I0 - I90 ]
(4)
2
I90 - I0
310027, China; 21M achine Shop , Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China;
31J inhua Testing Center for Special Equipment, J inhua Zhejiang 321000, China)
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
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
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
I2
-
I1
=α(σ1
;
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. http://www.cnki.net
p 0
9τxy 9y
dx
(6)
(σy ) p
= (σx ) p
-
(σ1
-
σ 2
)
p
co
s2θp
(7)
(τxy ) p
=
(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 ]
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)
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 -
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
第 6期
蒋刚 等 : 残余应力测量方法的研究现状
·2 15 ·
11312 磁噪声法
磁噪 声 法 也 称 为
BN (巴 克 豪 森 效 应 )
分析 。铁 磁 材料 磁 化
时 , 由于磁畴的不连
续转动 , 在磁滞回线
最陡 的 区 域 出 现 不 可
逆跳跃 [11 ] , 从而 在探 图 3 融 BN 与 MAE两种
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 。
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
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
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
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
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
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 ] 。