CN103837386A - 基于热缩原理的残余应力梯度试块设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于热缩原理的残余应力梯度试块设计方法，该方法针对被检测材料，制备同心嵌套结构的热压缩定值试块，包含圆盘A及圆环B。圆盘A直径为φDA，厚度为t；圆环B内径φDB，外径φDB′，厚度为t。DA、DB与DB′的尺寸应满足约束：DA≤D'B≤DA×π×(1+αA)，DA≥DB-DB′，其中，αA为目标试块材料的线膨胀系数。通过热缩原理，制备出残余应力梯度试块，其应力大小可通过理论计算得出，将理论值与残余应力检测仪器的检测值对比，即可达到校准仪器的目的。该方法简单实用，可以用于超声波法、小孔法、电磁法和射线法等残余应力检测方法的实验室和现场校准。

Description

基于热缩原理的残余应力梯度试块设计方法

一、技术领域

本发明提出的是一种标定试块的设计方法，具体地说，是基于热缩原理的残余应力梯度测量标定试块的设计方法。该方法可用于小孔法、超声法、电磁法和射线法等有损或无损残余应力检测方法的实验室和现场校准，属于材料分析测试技术领域。

二、背景技术

残余应力测量方法主要有机械法与物理法。其中，机械法会对结构造成损害，不适宜非破坏性结构的应力检测；物理法主要包括X射线衍射法、磁性法、中子衍射法及超声法等，其中超声法主要是基于超声临界折射纵波原理实现残余应力检测。为了确保这些方法的检测值准确（精度始终维持在其误差范围之内），实现溯源性，需要用一个可参考的标准，对系统进行定期的校准。

目前残余应力标准定值试块的研究，主要是针对X射线衍射法。文献检索发现，专利：（姜传海,洪波.X射线应力测量标定试样的制备方法[P].申请号:200510023292.1,2005.）中提到一种用于材料分析测试技术领域的X射线应力测量标定试样的制备方法。另外，专利：（袁新艳,王海玲,李炎琢.X射线残余应力测试系统校准试块制作方法[P].申请号:201210183436.X,2012.）同样公开了一种通过颗粒选取、粘合剂制作、显微镜载玻片上撒铁粉、粘合剂粘接等工艺得到X射线残余应力测试系统校准试块。但是，这些试块的结构较为特殊，不具有通用性，且制造方法复杂，不易实现。为此，本发明提供了一种结构简单、准确可靠的残余应力梯度校准试块来解决现有方法的不足之处。

三、发明内容

本发明的目的是提供了一种基于热缩原理的残余应力梯度试块设计方法，可以用于超声波法、小孔法、电磁法和射线法等残余应力检测方法的实验室和现场校准。

本发明的目的是这样实现的，针对被检测材料，制备同心嵌套结构的热压缩定值试块，包含圆盘A及圆环B。圆盘A直径为φD_A，厚度为t；圆环B内径φD_B，外径φD′_B，厚度为t。D_A、D_B与D′_B的尺寸应满足约束：D_A≤D′_B≤D_A×π×(1+α_A)，D_A≥D_B-D′_B，其中，α_A为目标试块材料的线膨胀系数。通过热缩原理，制备出残余应力梯度试块，其应力大小可通过理论计算得出，将理论值与残余应力检测仪器的检测值对比，即可达到校准仪器的目的。

四、附图说明

图1残余应力梯度试块结构示意图

图2残余应力梯度试块设计图

图3圆盘压应力值计算示意图

图4超声法检测残余应力梯度热缩试块内圆盘的一条径向应力分布曲线

图5超声法检测残余应力梯度热缩试块内圆盘部分的应力分布云图

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1所示，针对被检测材料（例如，被测材料为45#钢，则圆盘A与圆环B的制备材料即为45#钢），制备同心嵌套结构的残余应力梯度试块，包含圆盘A及圆环B。

如图2所示，圆盘A直径φD_A，厚度t；圆环B内径φD_B，外径φD′_B，厚度为t，单位均为毫米。其中D_A、D_B与D′_B的尺寸满足如下约束：

D_A≤D′_B≤D_A×π×(1+α_A)     （1）

D_A≥D_B-D′_B     （2）

其中：α_A为目标试块材料的线膨胀系数，（mm/k）。

如图3所示，由于残余应力梯度试块圆环B外圈几何形状不受限制，冷却至室温后，其拉应力得到部分释放，故梯度试块应力检测应以圆盘A受压缩为主计算。其径向应力大小σ可通过以下公式进行计算：

$P=\frac{D_A-{D^{\′}}_B}{{D^{\′}}_B}\×E---\left(3\right)$

$\mathrm{\σ}=\frac{2\mathrm{PD}}{\mathrm{\π}{D}_A^{2}t}---\left(4\right)$

其中：

E为被测材料弹性模量，（GPa）；

t为圆盘A厚度，（mm）；

P为热装配应力，（MPa）；

D为被测位置直径，（mm）；

根据公式（3）和（4）可以确定圆盘A沿径向方向的应力值，由于制作误差及装配误差的存在，残余应力梯度试块的残余应力值应以实测值作为最后的标定结果。

Claims (4)

1.基于热缩原理的残余应力梯度试块设计方法，其特征在于：针对被检测材料，制备同心嵌套结构的残余应力梯度试块，包含圆盘A及圆环B。由于热缩作用，在圆盘A上产生残余应力，其残余应力值即为校准应力，可通过理论计算得出。

2.根据权利要求1所述圆盘A及圆环B，其特征在于，圆盘A直径为φD_A，厚度为t；圆环B内径φD_B，外径φD′_B，厚度为t。D_A、D_B与D′_B的尺寸应满足约束：D_A≤D′_B≤D_A×π×(1+α_A)，D_A≥D_B-D′_B，其中，α_A为目标试块材料的线膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的圆环B，其特征在于，残余应力梯度试块圆环B外圈几何形状不受限制，冷却至室温后，其拉应力得到部分释放。

4.根据权利要求1所述的校准应力，主要产生于圆盘A在热缩作用下产生的残余压应力，其热装配应力为P＝(D_A-D′_B)×E/(D′_B)，径向应力为其中，E为被测材料弹性模量，t为圆盘A厚度，D为被测位置直径。

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