残余应力检测方法

1、关于构件的残余应力检测(盲孔法检测)一、前言(1)应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终 止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第I类内应力是存在丁材料的较大区域 (很多晶粒)内，并在整个物体各个 截面保持平衡的内应力。当一个物体的第I类内应力平衡和内力矩平衡被破坏 时，物体会产生宏观的尺寸变化。第II类内应力是存在丁较小范围(一个晶粒或晶粒内部的区域)的内应力。第m类内应力是存在丁极小范围(几个原子间距)的内应力。在工程上通常所说的残余应力就是第I类内应力。到目前为止，第I类内应力的测

2、量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也习惯丁按产生残余应力的工艺过程来归类和 命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且 一股指的都是第I类内应力。(2)应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、 尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可 能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因 素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚 至导致变形、开裂等早期失效事故。(3)应力的产生在机械制造中，各种

3、工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上 讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变(4)应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能 不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布， 这就是残余应力的 调整问题。通常调整残余应力的方法有：1自然时效把构件置丁室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残 余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应 力仅下降泌10%但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定 性很好。但由丁时效时间过长，一般不采用。2

4、热时效热时效是传统的时效方法， 利用热处理中的退火技术， 将工件加热到500 650C进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑 性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效， 只要退火温度和时间适宜，应力可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的7080%但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。3振动时效振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形， 从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。 其特点是处理时 间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资

5、小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后在国内被大力推广。4静态过载法静态过载法是以静力或静力矩的形式， 暂时加载丁构件上，并在这种载荷下 保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。用丁焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近丁材料的屈服极限，才能消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决丁附加应力的大小及应力下保持时间。 特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。5热冲击时效法1970年前后出现的一种新颖的稳定工件尺寸精度的时效工艺法。其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变

6、形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。6超声波时效法超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广，该方法起先主要 应用丁船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。(5)应力检测方法检测振动时效的效果实际上就是检验工件中残余应力是否得以消除和均化，目前对残余应力的测试方法总的分为两大类。一类是 定量测量：如盲孔法、X射 线法、磁测法、喷砂打孔法、切割法、套环法等；另一类是 定性测试：如振动参 数曲线法、尺寸精度稳定性法等。1振动参数曲线法一项振动时效工艺是否成功，起最后的检测方法应是残余应力的变化率和尺 寸精度保持性的测试。但在振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它需要

7、长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时 效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。A、 幅频特性曲线扫描法在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特 性曲线上所表现出的是固有频率的下降，共振峰的增高、频带变窄。B、 振幅-时间曲线监测法幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小(偏心最小的档级)。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。 这种方法既可以通过振幅的变化

8、来 控制振动处理的有效时间，乂可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情 况。2盲孔法应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。就是在被测点上钻一小孔， 使被测点的应力得到部分或全部释放， 并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放 的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种方法具有较好的精度， 因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法。3尺寸精度稳定法尺寸精度稳定法是根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内 容：一方面是观测构件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相 比较；另一方面是要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度变化量，同样与传 统工艺（热时效）相比，以鉴定

9、振动时效工艺的可行性。二、实验目的（1）检测工件表面及内部的综合残余应力变化量。（2）检测工件在接受某种时效处理前后的残余应力变化量， 以运算其应力消除 率。三、实验原理目前在焊接件和铸件上应用的较多的残余应力测量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上钻一小通孔或不通孔， 使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周 位的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。 钻孔的 直径和深度都不大，不会影响被测构件的正常使用。并且这种方法具有较高的精 度，因此它已成为应用比较广泛的方法。（一）理论公式的推导当残余应力沿厚度方向的分布比较均匀时， 可采用一次钻孔法测量残余应力 的量值。用图3.6

10、表示被测点o附近的应力状态：b 1和b2为。点的残余主应力。在距 被测点半径为r的P点处，b r和b t分 别表示钻孔释放径向应力和切向应力。 并且b r和b1的火角为巾。根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力b r和 b t与残余主应力。1和b 2的关系如式（4）。钻孔法测残余应力时，要在被测点。处钻一半径为a的小孔以释放应力。由 弹性力学可知，钻孔后P点处的应力 b r和t分别为式（5）尻二罕 j 上土*院CT；=顼” + 口2叱CQS2.j*罕（】一寺）十 土里（华琴一学） 个耳,）-牛顷中夸）8再钻孔后，P点应力簿放置为；（Tr = CTr - Cr O 二席 _ CT； 将式（4）和

11、5）代入得S - 227 一_）0 -CT2）gsK 二至丁 0 十 S）T* -fZ （1-2）COS20J上式中表明了 P 点的应力变化与测点。处的残余应力 5 和 CT 宓间的对应关系 o 在实际测 童时是在 F点贴应变计，并在 P 点钻孔而测得释放应变 Er，且有；勺二-（0，- “卬） 将 C7）式代入上式即得出 P 点处径向应变冒与残余主应力叫和改的关系式】&二-普,如）十普仔.gQ-#）-乌（形）匚。瞬但因同变片的长度为 L=r2-rH所测应变*应是 L 内的平均应变值，叩编=疽F Q+俱）孑 C T，+育乌 H馈， 冲 - vTL则（9）式可简化为 少二-会（5 叫）+

12、 是烦 1 一巧）时展。在一般情况下，主应力方向是未知的则上式中含有三个未知数b 1, b 2和中。如果在与主应力成任意角 的中1,2,3三个方向上贴应变片，由上式可得三个方程，即可求出。1, b2和中来。为了计算方便，三个应变片之间的 火角采用标准角度，如 中，中+45 ,中+90,这样测得的三个应变分别为c 0,45和 90即：dr将 W）式代入上式积分可得；_ 1+我,政易/-甘,磕令虹_ （】十时湛 E =CW)二Si+口芝 E-舟)。血、A际=(GT1 + CT2+ (cr1-CT2)coii2(/+450) 七旷鲁 （CTJ+OJ）+（5-既）匚。成（玖十90.）如如果三个应变片果

13、三个应变片都准确都准确的贴在的贴在同一圆周上，则有：同一圆周上，则有：0二X45 =刃90=乂A） - 5 =A。二B对对（11）式联立求解，得式联立求解，得3 代。+ 湖）J- 标件 +（E 如-标）W - 勺+%。-我45在有些情况下，公式（12）将会有所变化：1.如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变c o,把中=0, b 2=0代入（11）式得2.如果残余应力b 1和b 2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，如 图3.7所示，=0和=90。则由（11）式可得：AB+ y （沔-如）解以上两个方程，得胃。皿蜡勺+马）十士（勺- &

14、;）音（13）3. 在主应力方向未知的平面应力场中，有时也使用如图 3. 8 所示的三轴 6。应变花来测量则可由下式计算残余应力及方司蛎（明+&的+汕）士矗（句+&或七）*1 知-%p14Jtg2=T= -7-。3句-P（Q+-&（）+VX公式（12）是通过弹性力学理论推倒而来的，式中的A、B值是通过计算得到的。 因此上述方法被称做理论公式法。还有一种方法就是通过在拉伸试件上标定释放 应变与应力的比例系数后，再计算残余应力，这种方法称做实验标定法。（二）实验标定法(11)(12)如图3.9所示，在距孔心r处贴片。为消除边缘效应的影响，取宽度b大于a的4-5倍的试件。在材

15、料试验机上将没有钻孔的试件逐级加载，计算出试件的 应力。，测出各级荷载下的应变 1和 2。然后取下试件用专用设备在试 件指定部位上专孔后，再重新拉伸，并测出专孔后的应变值& 1和/2。将两种情况下同一级荷栽产生的应变差求出后可见，钻孔前后的应变差与应力成正比，即：（15） 所以有，3 备|翌二陋与二 E 吝 J6式中，坛和度是比例系数档和就是钻孔前后同一级荷载下的应变差。由（20）式得到残余应力的主应力为:孚小（艺世 E 士点（-邑 2）（21）式与（13）式具有完全相同的形式，它说明标定法得到的A ,B相当于 理论公式中的A,B。因此只要通过标定法测得A和B后代入公式（12）中， 即

16、可得到主应力方向未知的测点的残余应力b 1和b 2及其夹角中的数值。当构件中的残余应力沿厚度分布不均匀时， 可采用分层钻孔法求得各深度的残余 应力。其方法是：等深度地逐层钻孔测定每次的应力释放量。 如果已知主应力的 方向，则有：房二（K沪膈分血堪祯归 j上式中，玮 诚为第 i房的残余应力值；Kb 琨为第 i 层标定的比例系数，林，涉为第 i房钻孔时应变片释放的应变量值.标定试件材料及厚度必须与被测件相同,如果被测件厚度很厚，试件厚度只取 50 皿即可如果被测点主应力方向未知则可用公式（12）来进行计算，咨*矗（功+ Eg。）士碎嘉 J 隹。- 如传+（曲 Q-注尹 十而-曲_+ 90-?吐 g

17、 诺 F 一式中，为笫 i 层的残余应力晚域总 分别为零 层钻孔时底狞 E 三个方向的应变测量值;4 砰是通过标定得到对和 K?后由公式（19）计算出来的第 i 层的值:测试时可沿残余应力方向各贴一片应变片.位置及钻孔直径与试件相同，钻孔后测得释放应变为勺和险,根据叠加原理有：=奇 U 罕（K 同+11 应契）Q7）由（直）得，一电品矿 s+g）将（19）式代入斗#KA + BWi+U-B）a）（云）（云）若令，KZ+H. -uK,= A- F街）（17）式得到*段=+3+町陞+（&-）？（20）（21）（23）图 3.9 标定试件贴片图被测点钻一小孔只能使残余应力局部释放，因此应变计

18、所测出的释放应变值很 小，必须采用高精度的应变计。为了不断提高测量精度，还必须十分注意产生误 差的各种因素，其中最主要的是钻孔设备的精度和钻孔技术， 还有应变测试误差。 一般来说钻孔深度h 2a即可。(三)钻孔设备及钻孔要求(1).钻孔设备的结构应该简单，便丁携带，易丁固定在构件上，同时要求 对中方便，钻孔深度易丁控制，并能适应在各种曲面上工作。图3.10为小孔钻的结构图，这种钻具能较好地实现上述要求，借助4个可调节X、Y方向的位置和上、下位置，以保持钻孔垂直丁工件表面，用万向节与可调速手电钻连接施行 钻孔。1.放大镜2 ,套筒3.冶 v 方向调整螺丝4-支架高度调整螺母5. 粘接垫6, 直角

19、应变片万向节8.钻杆9.钻头(2).钻孔的技术要求：1被测表面的处理要符合应变测量的技术要求，直角应变片应用502胶水准确地 粘贴在测点位置上，并用胶带覆盖好丝栅，防止铁屑破坏丝栅。2钻孔时要保证钻杆与测量表面垂直，钻孔中心偏差应控制在土0.025 mm以内。3钻孔时要稳，机座不能抖动。钻孔速度要低，钻孔速度快易导致应变片的温度 漂移，孔周切削应变增大使测量不稳定。 为消除切削应变的影响，可先采用小钻 头钻孔然后再用铁刀洗孔。如果无法使用小孔钻，可以使用喷沙打孔法打一盲孔，喷沙打孔的方法就是 利用压缩空气带动A12O3或SiO2粉末，通过回转的喷嘴对准应变花中心打孔标 志，喷吹表面而得一盲孔。

20、这种方法实际上是一种磨削过程，其产生的热量由气 流冷却，加之切削量很小，因此打孔时引起的附加应力较小， 喷沙打孔法的测量 精度较高。四、实验步骤1、 准备检测器材：静态应变仪，三根信号线，一根信号补偿线，打孔装置，钻头、手持式磨光机，直角应变片，瞬间黏合剂(502或406),乙醇活洁剂, 棉球，粗砂皮，精细砂纸，剪刀，镶子，电烙铁，接线端子，稳压电源，数 据记录卡，示意图绘制卡，常用工具箱。2、 调整工件位置及整理现场环境，保证检测试验的精度。3、 选择应力测试点，一般选610个点。4、打磨测试点。先用砂轮进行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用细砂纸精 打磨，确保表面光滑。5、 用乙醇活洁剂活洁测试点；图 3.106、 使用瞬间黏合剂粘贴应变片并按紧，贴片后在示意图卡上绘出工件上各点位置。（每个测试点分开贴两个应变片，分两组检测，振前测试第一组测试点中的一个应变片