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
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
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 ] 。
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
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
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
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
p 0
9τxy 9y
dx
(6)
(σy ) p
= (σx ) p
-
(σ1
-
σ 2
)
p
co
s2θp
(7)
(τxy ) p=Βιβλιοθήκη (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 ]
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 -
;
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.
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 。
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
310027, China; 21M achine Shop , Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China;
31J inhua Testing Center for Special Equipment, J inhua Zhejiang 321000, China)
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
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
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
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)
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
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