CN108287038B - 残余应力梯度分布定值试块 - Google Patents

Abstract

本发明通过设计一种残余应力梯度分布定值试块来实现对残余应力检测系统的标定和校准过程，从而保证残余应力检测过程的准确性和可靠性。本发明涉及一种残余应力梯度分布定值试块设计及使用方法，适用于残余应力检测领域，可用于残余应力检测系统中拉伸和压缩应力检测结果的校准。首先通过调节螺栓的拧紧程度，控制不同位置的变形方向和变形量，得到试块内部及螺栓轴向的定值残余应力梯度分布，然后将检测探头分别置于不同应力区域和螺栓端部，利用残余应力检测系统进行应力梯度检测，最后通过对比检测数值与试块内部或螺栓轴向的理论计算的残余应力数值，来校准对应的残余应力检测仪器的检测精度和准确性，实现对残余应力检测仪器的标定。

Description

残余应力梯度分布定值试块

一、技术领域

本发明属于超声无损检测领域，涉及一种残余应力梯度分布定值试块设计，适用于残余应力检测系统的现场定值校准。

二、背景技术

残余应力广泛存在于各种机械构件中，在实际生产过程中，实现对其的精准检测，是一项非常重要的工作。超声波法，作为残余应力无损检测方法中的一员，是目前一种相对成熟且分辨率较高的方法，已经广泛应用于铁路、管道、兵器、航天等领域。

超声法检测残余应力主要是依据声弹性理论和临界折射纵波原理来实现的。根据声弹性理论检测得出的残余应力值为相对残余应力值，与残余应力实际值之间存在着一定偏差，而残余应力实际值在实际生产中有重要的意义。因此，在利用超声波法进行残余应力检测的过程中，检测系统需要对应的装置来进行校准。

本发明通过设计一种残余应力梯度分布定值试块来实现对残余应力检测系统的标定和校准过程。从而保证残余应力检测记过的可靠性。通过与试块不同位置处呈梯度变化的定值拉伸或压缩应力进行多样点比较，得到检测值与实际值的差距大小，从而实现检测系统的校准。目前，国内外关于残余应力梯度分布定值试块的研究都比较少。

文献检索发现，专利:(徐春广等.一种用于拉伸残余应力定值校准的C形环装置[P].中国专利：CN201310465140.1,2014-01-22.)提供了一种定值残余应力校准试块，工作表面为C形环外表面，实现了利用调节螺母产生拉伸应力来进行应力校准的功能，校准应力种类较为单一，且无残余应力梯度分布。

通过调节螺栓的方向和拧紧程度，改变缺口的张合状态，缺口内侧的变形和U形试块外侧的变形情况恰好相反，根据弹性力学的原理，变形量和应力值一一对应，不同状态的应力也会由一侧逐步过渡到另一侧，即在试块的不同区域产生对应的定值残余应力梯度分布，实现一次拧紧便可同时通过拉伸和压缩残余应力来对超声法检测残余应力系统的校准。该试块加工容易，操作方便，可通过有限元分析结果得出螺栓在不同拧紧程度下，试块不同位置处对应的实际应力值，以此来实现残余应力检测系统检测结果的可靠性。配合使用的螺栓与此同时也会产生标准的应力数值，同样可以用于校准应力检测系统。

三、发明内容

本发明涉及一种残余应力梯度分布定值试块设计及使用方法，适用于残余应力检测领域，可用于残余应力检测系统中拉伸和压缩应力检测结果的校准。首先通过调节螺栓的拧紧程度，控制不同位置的变形方向和变形量，得到试块表面梯度分布的残余应力值，然后对比残余应力系统的检测结果与残余应力梯度分布定值试块中产生的固定残余应力值，来校准对应的残余应力检测系统，从而得到残余应力实际值。

本发明采用金属加工的技术，在固定尺寸铝块的特定位置去除材料，加工出固定形状和尺寸的缺口，在缺口的两侧分别加工出对应的通孔和螺纹孔，同时选用了配套的螺栓和销钉。螺栓、销钉配合通孔和螺纹孔的设计，可以通过调整螺栓的安装方向和拧紧程度，来实现试块缺口张合状态的有效定量控制。利用金属铝的弹性特性，对比缺口的自由状态，不同的张合程度分别会在试块的不同区域产生对应拉伸和压缩的应力梯度分布。在该试块的设计中，缺口张合程度的控制与定值残余应力梯度的分布一一对应，每个位置处的应力值可以通过有限元分析的方法得出，一次拧紧就可以同时进行拉伸和压缩应力的校准，能够广泛地应用于残余应力检测系统的校准。其中配合使用的螺栓，在实现对缺口张合状态控制的同时，也产生了标准的应力数值，同样可以用于应力检测系统的检测。

四、附图说明

图1试块结构示意图

图2试块缺口闭合功能示意图

图3试块缺口闭合状态定值应力梯度示意图

图4试块缺口张开功能示意图

图5试块缺口张开状态定值应力梯度示意图

五、具体实施方式

下面对本发明具体实施方法进行详细说明：

1.如图1所示，U形试块加工材料应与被测工件的材料一致，如被测工件为铝，则U形试块材料也为铝。

2.U形试块表面不得有划痕、凹坑、毛刺等缺陷。其用于校准区域表面的粗糙度Ra≤1.6。尽量小的粗糙度会减弱声波在试块表面的散射，从而使声束更加集中地入射到试块中，有效提高检测精度。

3.对U形试块进行热处理工艺，消除其在加工过程中产生的初始应力，热处理后对试块表面的氧化膜进行清理。

4.未去除缺口材料时，U形试块形状为长、宽相等的长方体，其长度为100～300mm，厚度为14～40mm的长方体，具体值可根据实际需要产生的应力梯度确定，只要不影响应力校准即可。

5.缺口中圆弧圆心的位置距离长、宽两边均为长、宽长度的一半，位于该试块的几何中心，该圆的直径为40～120mm，具体尺寸可根据U形试块的尺寸来定，只要保证校准区域的大小合适即可。

6.缺口两侧面相互平行且与试块侧面平行，两侧面之间的距离为26～78mm，具体尺寸可根据缺口中心圆直径的尺寸来定，只要保证缺口的形状和两侧的强度安全即可。

7.缺口一侧是直径为10～20mm的通孔，另一侧是8～16mm的螺纹孔，具体尺寸可根据U形试块的厚度来定，只要保证缺口两侧的强度安全即可。

8.如图2所示，从通孔伸入的长螺栓与U形试块配合使用，通过调节拧紧螺栓的转动圈数来实现缺口闭合状态的控制，张合状态的变形量和应力值一一对应，进而在U形试块中的不同区域产生拉伸和压缩定值残余应力梯度分布，试块各区域的定值应力梯度分布如图3所示。

9.如图4所示，销钉首先从通孔缺口侧一端伸入，然后长螺栓从螺纹孔外侧面一端旋入，与U形试块配合使用，通过调节拧紧螺栓的转动圈数来实现缺口张开状态的控制，张合状态的变形量和应力值一一对应，进而在U形试块中的不同区域产生拉伸和压缩定值残余应力梯度分布，试块各区域的定值应力梯度分布如图5所示。

10.如图3和图5所示，应力梯度图中每一种颜色代表着应力值的大小，其中图3中，U形试块中心处深色代表较大的压缩应力，四边的深色代表较大的拉伸应力；图5中四边的深色代表较大的压缩应力，中心处的深色代表较大的拉伸应力。

11.如图2和图4所示，与螺纹孔配合的螺栓，在控制U形试块缺口张合程度的同时，产生了标准的应力数值，也可以用于校准检测应力。

Claims (10)

1.一种残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：它包括U形试块、螺栓、销钉：

该U形试块整体呈具有一定厚度的正方形的形状、正方形的正中具有一圆形通孔，且具有从该通孔中心向正方形的一边延伸的缺口，从而构成所述U形试块；且所述缺口的宽度小于所述圆形通孔的直径；

构成所述U形试块的缺口两侧的侧壁，具有垂直所述缺口、贯通两侧壁的通孔，且位于该两侧壁的两通孔内径不同；

可使用一所述螺栓从外侧伸入所述内径大的通孔，并旋入相对侧壁的另一通孔，通过调节拧紧螺栓的转动圈数来实现缺口闭合状态的控制，进而在U形试块中的不同区域产生拉伸和压缩定值残余应力梯度分布；

可使用一所述销钉从所述缺口处放置入所述内径大的通孔；使用一所述螺栓从外侧伸入所述内径小的通孔，并旋入至其顶住所述销钉，通过调节拧紧螺栓的转动圈数来实现缺口张开状态的控制，进而在U形试块中的不同区域产生拉伸和压缩定值残余应力梯度分布。

2.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：其加工材料与被测工件保持一致。

3.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：其整体形状形成的所述正方形边长为100～300mm，厚度为14～40mm。

4.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：其表面无划痕、凹坑、毛刺；其校准区域表面的粗糙度Ra≤1.6。

5.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：其加工时，通过热处理工艺消除加工过程中产生的初始应力，并将氧化膜去除。

6.根据权利要求3所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：所述圆形通孔的直径为40～120mm。

7.根据权利要求6所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：缺口两侧面相互平行且与试块侧面平行，两侧面之间的距离为26～78mm。

8.根据权利要求7所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：所述内径大的通孔的内径为10～20mm的通孔，所述内径小的通孔内径为8～16mm的螺纹孔。

9.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：螺栓的拧紧圈数可以定量控制试块缺口的张合状态，张合状态的变形量和应力值一一对应，进而实现试块中定值残余应力的梯度分布。

10.根据权利要求1所述的残余应力梯度分布定值试块，其特征在于：在其对应的基于有限元分析的应力梯度图中，使每一种颜色与相应的应力值对应，以通过对照颜色标注来读出对应的拉伸和压缩应力值。

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