残余应力测量方法的研究

残余应力测量方法的研究

0残余应力的测量各种机械技术，如铸造、切割、焊接、处理程序和装配，使工艺中的残余力不同程度。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。1残余应力的测量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。1.1应变释放系数和残余应力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,应变计便感受到应力释放产生的应变,通过测量应变计的应变,并进行相应的计算,便可求得该点的2个主应力σ1、σ2和1个主方向角θ,计算公式为式中:ε1,ε2,ε1分别为由应变计测得到的应变;A,B为释放系数;θ为残余主应力σ1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。郑州机械研究所生产的ZDL-Ⅱ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。光弹法测量残余应力,应变测定范围大,测定精度高。1.2辐射育种方法1.2.1残余应力的计算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σ=−E2(1+ν)σ=-E2(1+ν)·π180π180·cotθ0·∂2θφ∂sin2φ(2)∂2θφ∂sin2φ(2)式中:σ为表面残余应力;E为弹性模量;ν为泊松比;θ0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,φ0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。此方法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。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射线应力分析仪。1.2.2x-ct衍射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。主要差别在于X射线是由电子壳层散射的,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。1.3磁法1.3.1应力状态的测量磁应变法测量残余应力是利用铁磁性物体的磁致伸缩效应。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。磁应变法用磁测仪测量残余应力。目前市场上较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-σ2)(3)式中:σ1为最大主应力;σ2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=−12arctan[2I45−I0−I90I90−I0](4)θ=-12arctan[2Ι45-Ι0-Ι90Ι90-Ι0](4)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:(σy)p=(σx)p-(σ1-σ2)pcos2θp(7)式中:(σx)0为边界的已知应力值,对于自由边界(σx)0=0,τxy为剪应力,θp为任意点p主方向角。计算时用增量代替微分,任意点p的主应力为(σ1)p=(σx)p+(σy)p2+[(σx)p−(σy)p2]2+(τxy)2p−−−−−−−−−−−−−−−−√(9)(σ1)p=(σx)p+(σy)p2+[(σx)p-(σy)p2]2+(τxy)p2(9)1.3.2残余应力状态的模拟磁噪声法也称为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,从而在探测线圈中引起噪声(BN)。研究表明,BN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。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。在美国已有根据BN分析原理研制成功的应力测量仪器,该仪器也可用于组织结构评价和缺陷检测,如图3所示。1.3.3弹性波的检测方法这是与BN分析类似的一种方法,铁磁材料在外加交变磁场作用下,磁畴来回摆动,磁畴壁运动发出弹性波,这种弹性波也受应力影响。检测弹性波的方法是采用压电晶体拾取信号,用声发射技术中的信息处理方法,因此,称为磁声发射法(MAE)。MAE除受应力影响外,也受材料成份、微观结构等多种因素影响。穆向荣等结合巴克豪森磁噪声和磁声发射技术,开发了BN和MAE多功能磁弹性仪,如图3所示,用该仪器检测低碳钢板的双缝焊接时平行焊缝和垂直焊缝的残余应力分布信号,与X射线衍射所作的定量检测规律一致。1.4传播速度和主应力超声应力测量是建立在声弹性理论基础上,利用受应力材料中的声双折射现象。当没有应力作用时,超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度不同,利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力。对于垂直平面应力作用面传播的超声偏振横波和垂直平面作用面的超声纵波,传播速度和主应力存在以下关系(vT1-vT2)/vT0=ST(σ1-σ2)(11)(vL-vL0)/vL0=SL(σ1+σ2)(12)式中:vT0为应力为零时各向同性固体中横波速度;vT1、vT2为超声波在各向同性固体中横波速度;vL为超声波在各向同性固体中纵波速度;vL0为应力为0时各向同性固体中纵波速度;σ1、σ2为平面主应力;ST为横波声弹性常数,SL为超声纵波声弹性常数,可由实验求得。对于各向同性固体,将测得的vT0、vL0、vT1、vT2、vL,以及ST、SL代入式(11)、(12),就可以求出平面残余应力。超声波法测量残余应力的特点,首先是无损测定构件的表面应力和内部应力(包括载荷作用应力和残余应力),测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。2新剩余力测量方法2.1应力的计算。根据力过去研究测量三维残余应力方法都着眼于广义虎克定律的应用。通过测量应变来计算应力。多孔差方法是对三维残余应力测量进行探索,建立试样的三维静力平衡方程的偏微分方程,用有限差分法解该偏微分方程,通过测量孔深度就可计算应力。该方法采用一个已知应力解的算例进行了验证。2.2残余应力的测定裂纹柔度法的测定原理是基于线弹性断裂力学原理,在被测物体表面引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力,从而通过测定零件表面的残余应变释放量来测定相应的应变、位移或转角等量值,用来分析与计算残余应力。研究结果表明,裂纹柔度法与逐层钻孔法及X射线衍射法相比,具有更好的敏感性和精确度,可用于测定板类构件内部残余应力。作为一种残余应力测试新技术,裂纹柔度法具有很大的工程应用潜力,但对其适用范围及测试误差等课题还有待更深入研究。2.3磁记忆效应法磁记忆检测方法是一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术,其原理为:处于地磁环境下的铁制构件受工作荷载的作用,内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保留,增强后的磁场“记忆”了构件应力集中的位置,这就是磁记忆效应。从而通过测定漏磁场法向分量,便可准确地推断构件的应力集中区。研究表明,铁磁性金属构件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的关系,因此可通过检测构件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行诊断。2.4残余应力的测定扫描电子声显微镜(SEAM)是将扫描电子显微镜和声学技术结合而研制成的技术。该技术基于热波成像原理,当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于试样时,试样表面受到局部的周期加热,激发出热波,利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像,这些宏观量的微小变化是由于试样的局部晶格结构的改变而引起的,因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性质或热弹性质的差异,可用于残余应力的定征,由此得到的电子声图象显示了在金属中由韦氏硬度压痕引起的残余应力的横向分布,并且利用扫描电子声显微镜独特的分层成象能力,揭示了残余应力的深度分布状况,使测定残余应力三维分布成为可能。扫描电子声显微镜(SEAM)的穿透能力较强,适合对不透明材料中的残余应力进行无损测定。2.5残余应力检测人们对用PZT换能器、EMAT探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其近表面的应力分布,作了大量研究。结果表明,可以用测得的材料自由表面上传播的表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。但应力所引起的声速相对变化很小,检测难度很大。激光超声是最近发展起来的无损检测技术,其显著优点是非接触、高的空间和时间分辨率,容易实现高精度测量,已被成功用来表征材料的表面特性。激光超声法的原理是用Nd:YAG(钕钇铝石镏石)脉冲激光激发声表面波,并用外差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同位置上的相对变化来反映材料的残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的3个试样应力分布,进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上声速的相对变化,也证实了激光激发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。2.6细结构效应测量除去上面所述的种种方法以外,还有用核超精细结构效应进行应力测量的方法,其中有木斯保尔效应、核磁共振和核声共振等3种。这些方法需昂贵的设备,实验条件复杂,因此发展较慢。3x射线衍射法对于机械检测法中具有代表性并且广泛应用于工程的钻孔法目前技术成熟,理论完善,采用这种应力释放的方法虽然能比较有效地测量残余应力,但它多少带有破坏性,