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收藏！殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)最全匯總，你不能不知道

來(lái)源：時(shí)間：2022-10-08 11:08:16 瀏覽：9410次

殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力因素消失(如：載荷去除、加工終止、溫度均勻、相變完成等)，但形變、體積變化仍不均勻，為保持平衡而在構(gòu)件內(nèi)部存留應(yīng)力。

殘余應(yīng)力是構(gòu)件力學(xué)性能最主要的影響因素之一，如拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低拉伸屈服極限、提高壓縮屈服極限，壓縮殘余應(yīng)力正好相反;宏觀殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生形變、并影響疲勞壽命，微觀殘余應(yīng)力導(dǎo)致組織內(nèi)產(chǎn)生微裂紋發(fā)生脆性破壞。

在服役過(guò)程中，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加容易產(chǎn)生二次變形和應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生變形、開(kāi)裂、耐腐蝕性能及構(gòu)件整體穩(wěn)定性下降，如當(dāng)交變荷載工作時(shí)區(qū)域應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形;高溫工作條件下產(chǎn)生高溫蠕變開(kāi)裂;腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

降低有害殘余應(yīng)力，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)和數(shù)值大小是十分必要的。本文對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試方法按有損、無(wú)損兩類(lèi)進(jìn)行測(cè)試方進(jìn)行介紹，分析比較了各種應(yīng)力測(cè)試方法的誤差來(lái)源及應(yīng)用的局限性，探討殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。

01

有損應(yīng)力測(cè)量法

1.1

盲孔法

盲孔法在1934年由德國(guó)學(xué)者M(jìn)atharJ提出，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟。其原理就是在被測(cè)工件的表面貼上應(yīng)變花，并對(duì)工件打孔，孔周?chē)鷳?yīng)力松弛，而形成新的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)分布J；通過(guò)標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù)A、B，基于彈性力學(xué)原理可推算出工件原有殘余應(yīng)力及應(yīng)變。在3個(gè)應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變與板上殘余主應(yīng)力有如下關(guān)系：

式中：ε1、ε2和ε3，分別為由應(yīng)變片R，R2和R，所測(cè)得的釋放應(yīng)變;σ1，σ2為殘余主應(yīng)力;E為材料彈性模量;A、B為應(yīng)變釋放系數(shù),其可由彈性力學(xué)Kirsch理論解得出：

式中：E為彈性模量，u為泊松比，d為鉆孔直徑，rm為應(yīng)變片平均直徑。鉆孔過(guò)程中，孔壁經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和切斷過(guò)程，孔壁周?chē)a(chǎn)生附加應(yīng)力/應(yīng)變，附加應(yīng)力/應(yīng)變大小受孔徑、孔深、距離盲孔中心遠(yuǎn)近的等因素的影響。盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)，鉆孔偏心、孔周?chē)苄宰冃尉鶗?huì)影響其測(cè)試精度)。測(cè)量位置的選取應(yīng)遵循以下原則：測(cè)量區(qū)域附近應(yīng)力梯度小;點(diǎn)間距在孔徑的15倍以上;選擇典型位置。

1.2

壓痕法

壓痕法是基于硬度測(cè)試原理發(fā)展起來(lái)的，是一種無(wú)損或微損的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。其原理是局部載荷作用下，存在內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件會(huì)因應(yīng)力疊加會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)變，測(cè)量出位移△Z和應(yīng)變△ε，可推算出構(gòu)件原有表面殘余應(yīng)力(一般的壓痕直徑和深度為1.2mm×0.2mmm)。

壓痕法測(cè)定時(shí)需要注意的問(wèn)題包括：壓痕測(cè)試區(qū)和周?chē)苄詰?yīng)變區(qū)控制，如果塑性應(yīng)變區(qū)完全與測(cè)試區(qū)重合，則影響測(cè)量結(jié)果，塑性區(qū)完全隔絕，則測(cè)試靈敏度下降;壓痕應(yīng)變?cè)隽颗c殘余應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系確立;標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，確立應(yīng)變?cè)隽颗c材料特性之間的定量關(guān)系，以計(jì)算模擬代替標(biāo)定。

1.3

切割法

切割法是將金屬沿變形平面切開(kāi)，精確測(cè)量切割面的變形輪廓，然后將測(cè)試輪廓進(jìn)行擬合，將擬合結(jié)果作為有限元模型的邊界條件進(jìn)行彈性計(jì)算獲得了內(nèi)部垂直切割平面的應(yīng)力分布，可以得到切割面應(yīng)力的分布趨勢(shì)和特征，適用于大塊材料殘余應(yīng)力的定性測(cè)量。

切割法由于將結(jié)構(gòu)件破壞，殘余應(yīng)力釋放完全，測(cè)量精度高?？衫秒娮钁?yīng)變計(jì)測(cè)量釋放應(yīng)力，間接得到樣品內(nèi)的初始?xì)堄鄳?yīng)力。

02

無(wú)損應(yīng)力測(cè)量法

2.1

超聲波法

超聲波法是通過(guò)超聲波在材料內(nèi)部的傳播特性，即拉應(yīng)力引起聲波傳播時(shí)間變長(zhǎng)聲速變慢，壓應(yīng)力相反，利用應(yīng)力引起的聲雙折射效應(yīng)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)力改變引起聲速變化很微小，100MPa大約只引起聲速0.1%的變化。臨界折射縱波(LCR)是折射角為90度時(shí)的折射縱波，其對(duì)應(yīng)力最敏感，應(yīng)片也最為廣泛。LCR波的應(yīng)力計(jì)算方法如下：

式中：t0、t為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)下聲波的傳播時(shí)間，Ki為聲彈性常數(shù)。超聲波穿透能力較強(qiáng)，可以無(wú)損檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部及表的殘余應(yīng)力，且超聲檢測(cè)儀器易于攜帶，可用于室外及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。但超聲法在測(cè)量應(yīng)力時(shí)需做標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，且受探頭與構(gòu)件之間聲耦合層厚度變化、構(gòu)件材料組織、環(huán)境溫度的影響。

2.2

磁性法

目前應(yīng)用的磁性方法有兩種：磁噪聲法和磁應(yīng)變法。磁噪聲法測(cè)量基本原理是利用鐵磁性物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鐵磁性材料疇壁間距的改變，從而影響巴克豪森(磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H改變呈現(xiàn)不連續(xù)的跳躍)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱，其測(cè)量裝置如圖4所示。磁應(yīng)變法是利用材料的磁各向異性進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，存在應(yīng)力時(shí)磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)量時(shí)傳感器與材料表面構(gòu)成的磁回路磁阻變化，進(jìn)而導(dǎo)致磁回路的磁通量發(fā)生變化，磁性應(yīng)變儀示意圖如圖5所示。

磁應(yīng)變法不能測(cè)大殘余應(yīng)力(大于300 MPa)，此時(shí)應(yīng)力與磁導(dǎo)率的關(guān)系呈非線(xiàn)性。磁性法設(shè)備小巧、測(cè)試步驟簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快，但難以直接測(cè)得多點(diǎn)應(yīng)力值，僅能測(cè)得單點(diǎn)處主應(yīng)力差與磁測(cè)參數(shù)間的定量關(guān)系，通過(guò)水平或垂直的勵(lì)磁方式來(lái)研究材料的磁特性和磁力間的關(guān)系，并建立與應(yīng)力之間的定性、定量關(guān)系是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

該法測(cè)試材料種類(lèi)僅限于測(cè)定如鋼、鐵等鐵磁性材料中的應(yīng)力;此外，與超聲波法一樣，磁性法雖可以測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)力，但測(cè)量結(jié)果受材料微觀結(jié)構(gòu)(空隙、空隙、裂紋等)干擾較大。后行業(yè)專(zhuān)家黃海鴻等人提出一種金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)，可以快速檢測(cè)到構(gòu)件的危險(xiǎn)區(qū)域，并可通過(guò)磁記憶信號(hào)梯度值指示應(yīng)力集中情況。

2.3

X射線(xiàn)衍射法

X射線(xiàn)法是由俄國(guó)學(xué)者于1929年提出，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，理論與實(shí)際測(cè)定方法都較為成熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無(wú)損殘余應(yīng)力測(cè)試方法。

1、原理

X 射線(xiàn)衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力是基于X 射線(xiàn)衍射理論。當(dāng)一束波長(zhǎng)為λ 的X 射線(xiàn)照射在晶體表面時(shí)，會(huì)在特定的角度(2θ)上接收到X 射線(xiàn)反射光的波峰，這就是X 射線(xiàn)衍射現(xiàn)象。其中衍射角2θ與 X射線(xiàn)的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d之間遵從著名的布拉格定律：2dsin?=nλ. 。

式中，K 為彈性常數(shù)，當(dāng)入射線(xiàn)的波長(zhǎng)選定之后(λ 一定)，通過(guò)測(cè)定衍射角θ，即可由布拉格方程得到受力之后的晶面間距，繼而得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力值。這里需要指出的是由于晶體是各向異性的，因此彈性常數(shù)K 和宏觀意義上的彈性模量E 是不同的，需要根據(jù)所選擇的衍射晶面來(lái)計(jì)算出彈性常數(shù)K。

1961 年德國(guó)學(xué)者M(jìn)acherauch 結(jié)合彈性理論和布拉格方程提出了測(cè)二維殘余應(yīng)力的sin2ψ法：

根據(jù)ψ平面與測(cè)角儀2θ掃描平面的幾何關(guān)系，分為同傾法與側(cè)傾法兩種測(cè)試方式，精準(zhǔn)檢測(cè)工件表面應(yīng)力。

2.4

中子衍射法

中子衍射方法和 x射線(xiàn)衍射法原理類(lèi)似，而中子穿透深度較大，因此可以探測(cè)大塊材料內(nèi)部 (厘米量級(jí) )的殘余應(yīng)力分布。

中子衍射峰位的精確性受衍射強(qiáng)度的影響，在反應(yīng)堆功率、衍射晶面和規(guī)范體積等一定的條件下，衍射強(qiáng)度主要取決于測(cè)試時(shí)間。

中子衍射測(cè)量殘余應(yīng)力耗時(shí)且費(fèi)用昂貴，通常需要樣品的標(biāo)準(zhǔn)體積較大(10mm3)，且空間分辨率較差，對(duì)材料表層殘余應(yīng)力的測(cè)量無(wú)能為力 (>100um及以上區(qū)域 )。

03

結(jié)論

在各工業(yè)領(lǐng)域，殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)和應(yīng)用研究受到高度重視，目前測(cè)試方法還較少，且各測(cè)試方法均有一定的局限性。目前，應(yīng)用較多為盲孔法和X射線(xiàn)衍射法。

盲孔法主要關(guān)注的是應(yīng)變釋放系數(shù)的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定問(wèn)題，在大量研究的基礎(chǔ)上，其在測(cè)量準(zhǔn)確性方面有了新的進(jìn)展，但此方法會(huì)對(duì)測(cè)試對(duì)象造成損傷，限制了其適用范圍；X射線(xiàn)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，測(cè)范圍只能在表面薄層中，且對(duì)測(cè)試表面要求較高。

而磁性法主要針對(duì)大型構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)試，但它僅限于對(duì)磁性材料測(cè)試；中子衍射主要針對(duì)大型構(gòu)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力，國(guó)內(nèi)外研究均處于發(fā)展階段；超聲測(cè)定殘余應(yīng)力時(shí)受材料性能、工件形狀和組織結(jié)構(gòu)的影響較大，測(cè)試靈敏度不高；壓痕法測(cè)試雖然是有損檢測(cè)，但對(duì)材料的損傷較小。

現(xiàn)有測(cè)試儀器大多需要手動(dòng)更換樣品及轉(zhuǎn)動(dòng)樣品角度、人工計(jì)算數(shù)據(jù)、制定定標(biāo)曲線(xiàn)，工作量大；通過(guò)計(jì)算機(jī)控制及計(jì)算模擬技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)儀器有望實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成樣品測(cè)試計(jì)算應(yīng)力分布云圖方向發(fā)展。

來(lái)源：北京翔博科技

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