CN105371996A - 一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，先选取待测的经压力加工金属材料的某个部位进行切割，测量切割成块状的待测试样的比容，然后测量待测金属材料压力加工前或者其退火态的比容；由所测得的比容，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出上述待测金属材料相应部位内部的平均残余应力；对加工后的待测金属材料的不同部位切割后试样进行测量，根据不同部位的比容数值，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出待测金属材料不同部位的平均残余应力，由此得出其在该加工状态下的残余应力分布。本发明的测量方法具有试样制备简单，测量仪器通用，操作方便，实验数据精度高，重复性高，数据可靠等优点。

Description

一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法

技术领域

本发明属于材料的检测领域，涉及一种金属材料的测量，具体来说是一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法。其可测量金属材料不同部位的残余应力分布状况。

背景技术

金属材料在压力加工过程中，材料变形将不可避免的会在其内部产生残余应力。当施加外力时，材料受三向应力作用出现弹、塑性变形，卸载后，某些变形部分限制了其它变形部分的弹性恢复，因而产生残余应力。所以，残余应力是一种弹性应力，是材料中发生了不均匀的塑性变形的结果。

材料的残余应力有很多的应用，它可提高材料的强度和硬度，是金属材料的重要强化方法之一。然而，一些残余应力的存在，也影响了零件的抗疲劳强度、静力强度及抗腐蚀等性能，使零件在加工时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在环境变化引起应力释放过程中使零件的尺寸变化，造成使用中的变形问题。因此，残余应力的测量具有重要的意义。

目前传统的残余应力测量方法，可分为机械释放测量法和无损测量法两种。机械释放测量法主要包括钻孔法、切槽法、分割切条法等，是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，借助应变片电测法测量其应力在释放前、后的应变变化，由应力应变关系计算求出残余应力，该方法测量操作较复杂，要对工件造成一定损伤及破坏，且测量得到的往往是材料表面上的某个方向的应力，受应变片和粘结材料的限制，不能测量高温处理下的应力；无损测量法即物理检测法，主要有X射线法、中子衍射法、超声波法和磁性法等，其对被测件无破坏，但是成本较高、所需设备昂贵，且仪器操作复杂、需专门的操作人员。此外，射线法仅能测定材料表面下约十微米范围内的平均二维应力，这使其应用受到很大限制，如需测定材料内部的残余应力，需要与其他剥除方法配合，逐层测定，但此操作使该方法不再是无损的，且该法对被测物体的表面状况有较严格的要求；超声波法是利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力，目前在超声横波换能器，横波耦合剂等方面还有一些问题需要解决；磁性法是利用铁磁物质的磁致伸缩效应来测定应力，只在一定范围内适用，而且对于材质敏感，每次都需先标定；中子衍射法是一种可以直接获得内部残余应力的无损方法，基本原理同X射线检测法类似，但其要求的实验条件比较苛刻，只有反应堆或中子加速度器才能进行实验。综上所述，各种残余应力的测量方法均有其优点，但也存在测量的局限性，一些新的残余应力的测量方法出现，将会弥补其他方法的不足之处。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，所述的这种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法解决了现有技术中测量金属材料压力加工产生的残余应力的方法步骤复杂，会损伤测量材料的技术问题。

本发明提供了一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，包括如下步骤：

1)先选取待测的经压力加工金属材料的某个部位进行切割，测量切割成块状的待测试样的比容，然后测量待测金属材料压力加工前或者其退火态的比容；

2)由步骤1)所测得的比容，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出上述待测金属材料相应部位内部的平均残余应力，计算平均残余应力的公式如下；

公式(2)：

式中E为待测量金属的弹性模量；ν为待测金属材料压力加工后的比容；ν₀为待测金属材料压力加工前的比容，ε为正应变，即单位长度内线长度的相对改变，ε_平均为其平均值。

本发明还提供了一种金属材料压力加工产生的残余应力分布的测量方法，

1)先选取待测的经压力加工金属材料的不同部位进行切割，测量切割成块状的待测试样的比容，然后测量待测金属材料压力加工前或者其退火态的比容；

2)根据不同部位的比容数值，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出待测金属材料不同部位的平均残余应力，由此得出其在该加工状态下的残余应力分布。计算平均残余应力的公式如下；

公式(2)：

式中E为待测量金属的弹性模量；ν为待测金属材料压力加工后的比容；ν₀为待测金属材料压力加工前的比容，ε为正应变，即单位长度内线长度的相对改变，ε_平均为其平均值。

进一步的，所述比容的测量是通过使用阿基米德法测量的，所述的阿基米德法测量的步骤如下：

将切割成块状的待测金属材料在空气中的质量，记作m₁；然后，将上述待测试样放置在盛有已知密度的液体的容器中，测量待测金属材料浸没在密度为ρ_液的液体中的质量，记作m₂；最后，按计算公式(1)，得到上述某一压力加工状态下的待测金属材料的比容ν(即ρ^-1)，

公式(1)：

比容差法中，测量得到的比容相对变化的范围为10^-2～10^-3，所以ε的范围也为10^-2～10^-3。此公式对于较小的ε成立。

进一步的，测量待测金属材料质量所用的仪器为精密天平，所述精密天平的感量至少为10^-3g。

进一步的，所述的待测金属材料为可压力加工且加工后不发生相变的金属材料。

进一步的，所述的可压力加工的金属材料为铝合金、镁合金或者钢铁材料。

进一步的，所述的待测金属材料的压力加工为常温，或低于该材料去应力退火温度的高温。

进一步的，所述的待测金属材料经压力加工后的状态为退火态、或稳定态、或者亚稳定态。

本发明的技术原理是：残余应力是材料中发生了不均匀的塑性变形的结果，在金属材料压力加工过程中，不均匀变形难以避免，因而在材料内部存在残余应力是必然的。残余应力的存在引起应变，从而使材料产生了相应的尺寸及体积的变化。因此，测量体积的变化，即可换算为材料的(残余)应变，再由力学的应力-应变关系，即可求出残余应力。一方面，单位质量的体积可用比容(ν＝ρ^-1即密度的倒数)来表达，此物理量可由二次称重法(阿基米德法)，用精密天平来实现测量。密度的测量精度受到仪器精度及仪器操作的限制，以前的旧式天平测量，采用人工加载砝码，人工读取光标数据，除皮操作麻烦，重复性差，误差大，操作费时费工。因此旧式天平难以有效的实现本发明的精确测量。目前通过测量应变来计算或评定残余应力的测量方法中，主要是由应变片电阻变化来间接测量应变的变化，且测量得到的往往是材料表面上的某个方向的应力，此前未见他人用密度方法来测量和分析材料内部的残余应力的报道。

本方法测量的是材料内部的三维残余应力，该应力的测量具有直接的理论依据，即由材料体积变化的测量，得出材料的尺寸变化，即得到材料的应变，直接用广义虎克定律就可计算得出试样的平均应力。而其他的残余应力测量方法一般只能测量材料表面的切向应力，这是因为，在制备表面时，其表面法线方向的应力已经被释放而无法测出。

另一方面，随着电子技术的发展，精密的电子天平一改旧式天平繁琐的测量加载和测量结果的读取方法，测量操作简单，精度较高，测量感量达到1-0.01mg。本发明正是利用目前测量仪器的进步，将二次称重法应用于金属材料残余应力测量分析的领域。

本发明将比容差法应用于压力加工后金属材料内部残余应力的测量分析和研究。该方法具有精度高，对金属材料内部的应变状态变化敏感，相对比容测量的精确度可达0.01％及更高。本方法还可测量不完全的去应力退火工艺处理后的残余应力。

本发明可直接反映压力加工后待测金属材料内部的三维残余应力状态，分析中所用仪器为天平，简单通用，操作过程简单，对待测金属材料试样的制备要求不高，数据处理简单，精准度高；分析过程速度快、耗能低、耗材少，即整个分析判断的过程不要求操作人员有很高的理论知识，减少了人力、物力、财力的消耗。

本发明根据金属材料压力加工前、后的体积(或比容)的变化，定量计算得出材料内部的残余应力数值。首先测量待测金属不同压力加工状态下的比容，得出其体积(或比容)的相对变化，后利用应力应变关系的弹性虎克定律，定量计算求出材料内部的平均残余应力；根据待测金属材料的比容数值，或通过比较加工状态下不同部位的比容数值，可定量计算得出待测金属材料在该加工状态下的残余应力分布。该分析方法具有试样制备简单，测量仪器通用，操作方便，实验数据精度高，重复性高，数据可靠等优点。

本发明适用于一切可压力加工、且加工过程不发生相变的金属材料的残余应力的测量。这里指的压力加工，包括室温下的冷加工，材料去应力退火温度以下的温加工及热加工，例如冷镦、冲压、轧制、锻造、挤压、拉拔、弯曲、滚压、搓丝等。

附图说明

图1是实施例1中待测金属材料的残余应力沿压下方向(z方向)的分布曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进一步阐述，但不局限本发明。

实施例1

一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，具体包括如下步骤：

(1)首先测量待测金属材料的比容：

先将待测的经压力加工金属材料按照不同部位切割成数块质量大于1g的试样，并测量比容，然后测量待测金属材料压力加工前(退火态)的比容；

本发明实施例中质量测定所用的仪器为CP153型电子数字天平，感量为10^-3g，对质量为10g物体相对测量精度可达0.01％。

待分析测试的材料是牌号为6XXX的形变铝合金，分析目的为测量压力加工(镦粗)后材料内部残余应力的分布情况。原始试样为φ60×60mm圆柱形试样，先经过一定温度下的热压缩(非均匀)变形(温度低于该材料的去应力退火温度)，本测量是其压缩变形30％后在对称轴处沿压下方向(z方向)不同位置切割为块状样的比容测量。七个金属试样的尺寸约为20×20×6mm，重量在6g左右，测量误差为±0.02％。试样编号分别为G₁、G₂…G₇，上述各试样距端面距离分别为z₁＝6(单位为mm，下同)、z₂＝12、z₃＝18、z₄＝24、z₅＝30、z₆＝36、z₇＝42。另一试样,是压力加工前(退火态)金属试样，尺寸同上，编号为G₀。

七个试样及压力加工前(退火态)的试样以二次称重法测量比容，得到的比容分别为ν_G1＝0.3712(单位为cm³/g，误差为±0.0001，下同)，ν_G2＝0.3710，ν_G3＝0.3706，ν_G4＝0.3699，ν_G5＝0.3704，ν_G6＝0.3710，ν_G7＝0.3712和ν_G0＝0.3714。

由上述结果知，不同塑性变形状态下的七个试样，相对比容变化的最大差值约为0.402％，对于质量为6g的试样，此质量的变化约为24mg，远大于测量天平的感量1mg，即该结果准确可信。

(2).计算求出待测金属材料内部的平均残余应力

由步骤(1)所测得的比容，由已知该材料的弹性模量为72Gpa，利用应力应变关系的弹性虎克定律即公式(2)计算求出所对应的残余应力，分别为σ_G1＝-14.28(单位为MPa，下同)，σ_G2＝-28.24，σ_G3＝-53.93，σ_G4＝-96.47，σ_G5＝-62.33，σ_G6＝-27.48，σ_G7＝-15.84。这里，以试样G₁为例说明残余应力的计算过程。由步骤(1)测量得到，某一加工状态下的试样G₁的比容ν_G1＝0.3712cm³/g，加工前(退火态)试样的比容ν_G0＝0.3714cm³/g，已知该材料的弹性模量为72Gpa，利用公式(2)即可计算得出试样G₁的平均残余应力 ${\mathrm{\σ}}_{G_1}=\frac{1}{3}\·72000\·\frac{0.3712-0.3714}{0.3714}=-14.28MPa.$

该结果表明，材料内部的比容变化沿压下方向(z方向)呈对称分布，因此其残余应力沿压下方向(z方向)也呈对称分布，且最大值出现在比容最小处。该应力分布曲线见图1。

由步骤(1)的比容测定结果知，根据待测材料的比容数值，即可计算求出待测材料内部的平均残余应力；以判断其压力加工后的平均残余应力状态；

此例表明了本发明的分析方法的准确性、可靠性。

以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术的发明，在未超越本发明技术原理的前提下，还可做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)先选取待测的经压力加工金属材料的某个部位进行切割，测量切割成块状的待测试样的比容，然后测量待测金属材料压力加工前或者其退火态的比容；

2)由步骤1)所测得的比容，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出上述待测金属材料相应部位内部的平均残余应力，计算平均残余应力的公式如下；

公式(2)：

式中E为待测量金属的弹性模量；v为待测金属材料压力加工后的比容；v₀为待测金属材料压力加工前的比容，ε为正应变，即单位长度内线长度的相对改变，ε_平均为其平均值。

2.如权利要求1所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述比容的测量是通过使用阿基米德法测量的，所述的阿基米德法测量的步骤如下：

将切割成块状的待测金属材料在空气中的质量，记作m₁；然后，将上述待测试样放置在盛有已知密度的液体的容器中，测量待测金属材料浸没在密度为ρ_液的液体中的质量，记作m₂；最后，按计算公式(1)，得到上述某一压力加工状态下的待测金属材料的比容v(即ρ^-1)，

公式(1)：

3.一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：

1)先选取待测的经压力加工金属材料的不同部位进行切割，测量切割成块状的待测试样的比容，然后测量待测金属材料压力加工前或者其退火态的比容；

2)根据不同部位的比容数值，利用应力应变关系的弹性虎克定律，计算出待测金属材料不同部位的平均残余应力，由此得出其在该加工状态下的残余应力分布，计算平均残余应力的公式如下；

公式(2)：

式中E为待测量金属的弹性模量；v为待测金属材料压力加工后的比容；v₀为待测金属材料压力加工前的比容，ε为正应变，即单位长度内线长度的相对改变，ε_平均为其平均值。

4.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述比容的测量是通过使用阿基米德法测量的，所述的阿基米德法测量的步骤如下：

将切割成块状的待测金属材料在空气中的质量，记作m₁；然后，将上述待测试样放置在盛有已知密度的液体的容器中，测量待测金属材料浸没在密度为ρ_液的液体中的质量，记作m₂；最后，按计算公式(1)，得到上述某一压力加工状态下的待测金属材料的比容v(即ρ^-1)，

公式(1)：

5.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：测量待测金属材料质量所用的仪器为精密天平，所述精密天平的感量至少为10^-3g。

6.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述的待测金属材料为可压力加工且加工后不发生相变的金属材料。

7.如权利要求6所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述的可压力加工的金属材料为铝合金、镁合金或者钢铁材料。

8.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述的待测金属材料的压力加工为常温，或低于该材料去应力退火温度的高温。

9.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：所述的待测金属材料经压力加工后的状态为退火态、或稳定态、或者亚稳定态。

10.如权利要求3所述的一种金属材料压力加工产生的残余应力的测量方法，其特征在于：比容差法中，测量得到的比容相对变化的范围为10^-2～10^-3，所以ε的范围也为10^-2～10^-3。