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收藏!残余应力检测技术最全汇总,你不能不知道
来源: 时间:2022-10-08 11:08:16 浏览:2372次

残余应力是指产生应力因素消失(如:载荷去除、加工终止、温度均匀、相变完成等),但形变、体积变化仍不均匀,为保持平衡而在构件内部存留应力。

残余应力是构件力学性能最主要的影响因素之一,如拉伸残余应力会降低拉伸屈服极限、提高压缩屈服极限,压缩残余应力正好相反;宏观残余应力会产生形变、并影响疲劳寿命,微观残余应力导致组织内产生微裂纹发生脆性破坏。

在服役过程中,残余应力与工作应力叠加容易产生二次变形和应力重新分布,产生变形、开裂、耐腐蚀性能及构件整体稳定性下降,如当交变荷载工作时区域应力达到屈服点时会产生局部塑性变形;高温工作条件下产生高温蠕变开裂;腐蚀环境下产生应力腐蚀开裂。

降低有害残余应力,预测残余应力分布趋势和数值大小是十分必要的。本文对残余应力的测试方法按有损、无损两类进行测试方进行介绍,分析比较了各种应力测试方法的误差来源及应用的局限性,探讨残余应力测量技术的发展方向。

01
有损应力测量法

1.1
 盲孔法

盲孔法在1934年由德国学者MatharJ提出,现已经发展的较为成熟。其原理就是在被测工件的表面贴上应变花,并对工件打孔,孔周围应力松弛,而形成新的应力/应变场分布J;通过标定应变释放系数A、B,基于弹性力学原理可推算出工件原有残余应力及应变。在3个应变片上产生的应变与板上残余主应力有如下关系:

式中:ε1、ε2和ε3,分别为由应变片R,R2和R,所测得的释放应变;σ1,σ2为残余主应力;E为材料弹性模量;A、B为应变释放系数,其可由弹性力学Kirsch理论解得出:

式中:E为弹性模量,u为泊松比,d为钻孔直径,rm为应变片平均直径。钻孔过程中,孔壁经历了弹性变形、塑性变形和切断过程,孔壁周围产生附加应力/应变,附加应力/应变大小受孔径、孔深、距离盲孔中心远近的等因素的影响。盲孔法测残余应力时,钻孔偏心、孔周围塑性变形均会影响其测试精度)。测量位置的选取应遵循以下原则:测量区域附近应力梯度小;点间距在孔径的15倍以上;选择典型位置。

1.2
压痕法

压痕法是基于硬度测试原理发展起来的,是一种无损或微损的应力测量技术。其原理是局部载荷作用下,存在内应力构件会因应力叠加会产生位移和应变,测量出位移△Z和应变△ε,可推算出构件原有表面残余应力(一般的压痕直径和深度为1.2mm×0.2mmm)。

压痕法测定时需要注意的问题包括:压痕测试区和周围塑性应变区控制,如果塑性应变区完全与测试区重合,则影响测量结果,塑性区完全隔绝,则测试灵敏度下降;压痕应变增量与残余应力的函数关系确立;标定实验和模拟计算,确立应变增量与材料特性之间的定量关系,以计算模拟代替标定。

1.3
切割法

切割法是将金属沿变形平面切开,精确测量切割面的变形轮廓,然后将测试轮廓进行拟合,将拟合结果作为有限元模型的边界条件进行弹性计算获得了内部垂直切割平面的应力分布,可以得到切割面应力的分布趋势和特征,适用于大块材料残余应力的定性测量。

切割法由于将结构件破坏,残余应力释放完全,测量精度高。可利用电阻应变计测量释放应力,间接得到样品内的初始残余应力。

02
无损应力测量法

2.1
超声波法

超声波法是通过超声波在材料内部的传播特性,即拉应力引起声波传播时间变长声速变慢,压应力相反,利用应力引起的声双折射效应对应力进行测量。应力改变引起声速变化很微小,100MPa大约只引起声速0.1%的变化。临界折射纵波(LCR)是折射角为90度时的折射纵波,其对应力最敏感,应片也最为广泛。LCR波的应力计算方法如下:

式中:t0、t为无应力状态和应力状态下声波的传播时间,Ki为声弹性常数。超声波穿透能力较强,可以无损检测构件内部及表的残余应力,且超声检测仪器易于携带,可用于室外及现场测量。但超声法在测量应力时需做标定实验,且受探头与构件之间声耦合层厚度变化、构件材料组织、环境温度的影响。

2.2
磁性法

目前应用的磁性方法有两种:磁噪声法和磁应变法。磁噪声法测量基本原理是利用铁磁性物质的磁致伸缩效应。应力会导致铁磁性材料畴壁间距的改变,从而影响巴克豪森(磁感应强度B随磁场强度H改变呈现不连续的跳跃)发射信号的强弱,其测量装置如图4所示。磁应变法是利用材料的磁各向异性进行应力测量,存在应力时磁导率会发生相应变化,测量时传感器与材料表面构成的磁回路磁阻变化,进而导致磁回路的磁通量发生变化,磁性应变仪示意图如图5所示。

磁应变法不能测大残余应力(大于300 MPa),此时应力与磁导率的关系呈非线性。磁性法设备小巧、测试步骤简单、测量速度快,但难以直接测得多点应力值,仅能测得单点处主应力差与磁测参数间的定量关系,通过水平或垂直的励磁方式来研究材料的磁特性和磁力间的关系,并建立与应力之间的定性、定量关系是该领域的研究热点。

该法测试材料种类仅限于测定如钢、铁等铁磁性材料中的应力;此外,与超声波法一样,磁性法虽可以测量材料内部应力,但测量结果受材料微观结构(空隙、空隙、裂纹等)干扰较大。后行业专家黄海鸿等人提出一种金属磁记忆检测技术,可以快速检测到构件的危险区域,并可通过磁记忆信号梯度值指示应力集中情况。

2.3
X射线衍射法

X射线法是由俄国学者于1929年提出,经过多年发展,理论与实际测定方法都较为成熟,是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法。

1、原理

X 射线衍射法测量残余应力是基于X 射线衍射理论。当一束波长为λ 的X 射线照射在晶体表面时,会在特定的角度(2θ)上接收到X 射线反射光的波峰,这就是X 射线衍射现象。其中衍射角2θ与 X射线的波长λ、衍射晶面间距d之间遵从著名的布拉格定律:2dsinƟ=nλ. 。

式中,K 为弹性常数,当入射线的波长选定之后(λ 一定),通过测定衍射角θ,即可由布拉格方程得到受力之后的晶面间距,继而得到相应的残余应力值。这里需要指出的是由于晶体是各向异性的,因此弹性常数K 和宏观意义上的弹性模量E 是不同的,需要根据所选择的衍射晶面来计算出弹性常数K。

1961 年德国学者Macherauch 结合弹性理论和布拉格方程提出了测二维残余应力的sin2ψ法:

根据ψ平面与测角仪2θ扫描平面的几何关系,分为同倾法与侧倾法两种测试方式,精准检测工件表面应力。

2.4
中子衍射法

中子衍射方法和 x射线衍射法原理类似,而中子穿透深度较大,因此可以探测大块材料内部 (厘米量级 )的残余应力分布。

中子衍射峰位的精确性受衍射强度的影响,在反应堆功率、衍射晶面和规范体积等一定的条件下,衍射强度主要取决于测试时间。

中子衍射测量残余应力耗时且费用昂贵,通常需要样品的标准体积较大(10mm3),且空间分辨率较差,对材料表层残余应力的测量无能为力 (>100um及以上区域 )。

03
结论

在各工业领域,残余应力测试技术和应用研究受到高度重视,目前测试方法还较少,且各测试方法均有一定的局限性。目前,应用较多为盲孔法和X射线衍射法。

盲孔法主要关注的是应变释放系数的数值分析和实验标定问题,在大量研究的基础上,其在测量准确性方面有了新的进展,但此方法会对测试对象造成损伤,限制了其适用范围;X射线作为一种无损检测方法,测范围只能在表面薄层中,且对测试表面要求较高。

而磁性法主要针对大型构件的残余应力测试,但它仅限于对磁性材料测试;中子衍射主要针对大型构件的内部残余应力,国内外研究均处于发展阶段;超声测定残余应力时受材料性能、工件形状和组织结构的影响较大,测试灵敏度不高;压痕法测试虽然是有损检测,但对材料的损伤较小。

现有测试仪器大多需要手动更换样品及转动样品角度、人工计算数据、制定定标曲线,工作量大;通过计算机控制及计算模拟技术的发展,未来仪器有望实现自动完成样品测试计算应力分布云图方向发展。


来源:北京翔博科技

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12条评论
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全部 3小时前 四川
文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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