CN1091825A - 冲击压痕测定残余应力方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及残余应力的测定方法，其特征在于用 冲击载荷制造压痕，由压痕d，应变片应变增量与初 始残余应变ε之间的关系(1)相同压痕直径d下： Δε＝A+Bε；(2)相同初始残余应变ε下： Δε＝C+Dd；计算出ε从而计算出主应力(σ₁，σ₂)及 其方向a。本发明测试方法简单，适于现场应用。

Description

本发明涉及残余应力的测定方法，特别是用冲击压痕测定残余应力的方法。

残余应力直接影响结构使用性能，因此残余应力测试是工程和科研工作中所需的重要测试技术，当前可供应用的残余应力测定方法按其实质有两大类别。第一类残余应力测定方法为应力释放法，即利用切割使构件中的残余应力释放，根据切割方式和相应的释放应变数量计算残余应力。在工程现场测定中，损伤被测工件程度相对较小的钻孔法得到较多的应用。但是，很显然应力释放法必然不同程度地损伤被测工件。另一类为物性法，即利用材料在应力作用下物理性能发生变化的原理测定残余应力。例如X射线法根据应力作用下晶体晶格常数的变化测定残余应力，超声波根据应力引起材料声速变化测定残余应力，压磁法根据应力诱导材料磁性的变化测定残余应力等。物性法测定残余应力一般称为无损残余应力测定法，因为在测定过程中不需损伤被测工件（除待测表面制备外）。但是由于测示技术复杂，易受外界条件干扰，因此工程现场应用有较大困难。压痕法按其实质与上述两种方法不同，它和应力释放法相反，属于应力叠加法。参考文献1及其相同类别的文献均是比较不同应力状态下，相同静载作用产生的压痕的形状或其周围位移场的变化以求确定残余应力，采用3.2毫米碳化钨球以250磅的静载压力制造球形压痕，用光干涉法摄取压痕周围位移光干涉图。在无应力的情况压痕造成的光干涉条纹是对称的园形，在单轴应力作用下干涉条纹变成椭园形，条纹密度也随之变化，椭园的长短轴对应主应力方向，通过比较干涉条纹密度确定残余应力数值，该文献的结论认为这个方法可以用来测定单轴拉应力，但对于压应力和接近双轴等值拉应力时此方法不太灵敏，另外文献1所用的方法还存在以下几个缺点，（1）和本发明以外的所有压痕法一样都是采用静力加载，因此不便于工程现场应用;（2）采用光干涉法，测示技术复杂，同样不能适应现场测试的要求;（3）采用比较相同载荷作用下在标定试件上和被测试件上的干涉条纹密度确定残余应力数值的途径，无法排除硬度差引起的测量误差。这些问题使其至今未成为可供实用的残余应力测定方法。

本发明的目的在于提供一种残余应力的测量方法，使得被测工件基本不受损伤，且测试技术简单，适于现场测试。

在实验中发现，用冲击载荷制造球冠形压痕替代小孔法测残余应力中的钻孔时，存在下述现象，球冠直径d及由其应变花各应片产生的应变增量△ε₁、△ε₂、△ε₃，与初始残余应变ε₁、ε₂和ε₃之间遵循以下两个基本规律：

1、在相同的压痕直径d条件下，应变片的应变增量△ε正比于应变片方向的初始残余弹性应变

△ε＝A+Bε    （1）

2、在相同的初始残余应变ε的条件下，应变片的应变增量△ε正比于压痕直径d

△ε＝C+Dd    （2）

本发明所提供的测试残余应力的方法就是基于上述原理设计的，本发明之主要内容是包括下述步骤：

-在欲测残余应力部位贴应变花，各应变片距焦点等距;

-由压痕直径及其产生的应变增量计算得到初始残余应变，按弹性力学方法计算主应力方向α和主应力σ，其特征在于：

贴好应变花后，在焦点处用冲击载荷制造球冠形压痕，测定球冠压痕直径d及由其使应变花各应变片产生的应变增量△ε和d，通过下述两式计算各应变片方向的初始残余应变ε

相同压痕直径d下：△ε＝A+Bε    （1）

相同初始残余应变ε下：△ε＝C+Dd    （2）

其中A、B、C、D由标定试验测定。如果残余应力的主应力方向已知，则可沿主应力方向贴双向应变花，通过测取压痕直径d和两应变片的应变增量△ε₁和△ε₂，由式（1）（2）计算ε₁和ε₂，再按弹性力学计算主应力σ₁和σ₂，下面结合附图通过实施例详细叙述本发明。

附图1为应变花和压痕d的配置示意图;

附图2为16Mn钢的压痕尺寸及其应变增量相关图;

附图3为16Mn钢的压痕应变增量和残余弹性应变相关图;

附图4为塑性修正示意图;

附图5为22mm，厚16Mn钢对接试板焊接残余应力分布图;

附图6为28mm厚16Mn钢对接头焊接残余应力分布图。

实施例

1、标定实验：

试验材料为16Mn钢，试验采用三点弯曲及单轴拉伸两种方式加载在试件表面获得已知数值的单轴拉伸和压缩应力状态，结果证明，两种加载方式对本发明所提供的测定方式是等效的。

为得到对称的附加应力场，采用直径3mm的轴承钢球制造压痕，首先将钢球的1/2压入支承焊的端部，将带有钢球的一端垂直置放欲制压痕的位置，以落锤垂直冲击支承杆的另一端部，通过调整落锤动量以得到不同尺寸压痕。

压痕造成的叠加应变增量用BE120-3BA应变花测量，应变花及压痕几何配置示于图1。压痕相对应变花的几何位置采用与钻孔法测残余应力相同的装置保证。

不同表面状态和外加应力状态下，由不同数值冲击功产生和叠加应变增量△ε的相关性示于图2。图中叠加变增量△ε₀，△ε₁₀₀₀等的下标（0、1000等），表示外加弹性应变数值，△ε₀表示由砂轮打磨并抛光的无应力表面的压痕应变增量△ε^＊ _-400l6Mn钢拉伸应变为1500με时的横向（此方向的弹性应变量-400με）压痕叠加应变增量。由于所用应变片的横向效应，由应变片测出的试验材料的泊松系数（γ）为0.27，同此本实施例中全部计算所用γ均取值0.27。由图2可见所有状态下，给定范围的压痕直径（d）和其引起的叠加应变增量均呈线性状态。它们的线性方程列于表1。通过测取压痕直径d和由其在两个主应力方向产生的压痕应变增量△ε₁和△ε₂，利用表1所列诸式，可计算16Mn钢的残余应力。

表1    叠加应变增量的残性方程

16Mn钢

应变增量方程    d值范围(mm)

△ε₀=388-385d 1.2-1.9

△ε^' ₀=490-483d 1.2-1.9

△ε₁₀₀₀=660-733d 1.2-1.9

△ε₁₅₀₀=710-883d 1.2-1.9

△ε_-1000=11 1.2-1.9

△ε_-200=325-317d 1.2-1.9

△ε^* _-400=930-608d 1.35-1.7

2、压痕法测定残余应力的基本程序和残余应力的计算方法

首先用磁应力法测定出待测点的主应力方向，然后按主应力方向贴双向垂直应变花（如果所测区域的拉应力不超过1/2屈服点，也可按需要实测应力方向贴双向垂直应变花）。用锤击压头，在规定位置制造压痕，测取压痕前后应变花的两个相互垂直方向上的应变增量△ε1和△ε₂以及压痕直径d。用d、△ε₁和△ε₂按下面的两个方法之一计算残余应力：

2.1图解计算法

按表1给出方程做图3。图中虚线为用砂轮打磨抛光表面，实线为退火表面或砂轮打磨抛光后再用电解抛光去掉加工硬化层的表面状态。

根据测量得出的d，△ε₁和△ε₂由图3查出相应的ε_e1和ε_e2，按下式计算主应力：

如果由△ε₁、△ε₂和d图解出的ε_e1和ε_e2，其中较大的ε_e1大于1000με，则需对ε₂进行修正。以d＝1.45mm为例，修正方法示于图4，按下列三步进行：

A、由△ε₁图解得到ε_e1;

B、按-γε_e1图解得出△ε_2p;

C、按△ε₂-△ε_2p（而不是按△ε₂）图解得ε_e2然后按式（5）计算σ₁和σ₂。

2.2计算法

A、根据测出的压痕直径d，按表1公式计算△ε₀（或△ε₀）、△ε₁₀₀₀、△ε₁₅₀₀、△ε_-200、△ε^＊ _-400

B、按下式计算主应变

<math><msub><mi>ε</mi><mi>θ i</mi></msub><mi>= </mi><mfrac><mrow><msub> <mi>1000 ( △ ε</mi><mi>i</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>o</mi></msub><mi>)</mi></mrow><mrow><msub> <mi>△ ε</mi><mi>1000</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>o,</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>, △ ε </mi><mi>1000</mi></msub><mi>〈△ ε</mi><msub><mi></mi><mi>i</mi></msub><mi>〈 △ ε</mi><msub><mi></mi><mi>o</mi></msub><mi>( 4 )</mi><BREAK><mi>i = 1,2</mi></math>

<math><msub><mi>ε</mi><mi>θ i</mi></msub><mi>= 1000 + </mi><mfrac><mrow><msub> <mi>( △ ε</mi><mi>i</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>1000</mi></msub><mi>)500</mi></mrow><mrow><msub> <mi>△ ε</mi><mi>1500</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>1000</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi> △ ε </mi><mi>i</mi></msub><mi>〈△ ε</mi><msub><mi></mi><mi>1000</mi></msub><mi>( 5 )</mi><BREAK><mi>i = 1,2</mi></math>

<math><msub><mi>ε</mi><mi>θ i</mi></msub><mi>= </mi><mfrac><mrow><msub> <mi>1000 ( △ ε</mi><mi>o</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>i</mi></msub><mi>)</mi></mrow><mrow><msub> <mi>△ ε</mi><mi>- 1000</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>△ ε</mi><mi>i</mi></msub><mi>〉 △ ε</mi><msub><mi></mi><mi>o</mi></msub><mi>( 6 )</mi><BREAK><mi>i = 1,2</mi></math>

C、将由式4或5或6计算出的ε_e1和ε_e2代入式3计算应力σ₁和σ₂。

D、如果计算得出的较大的ε_e1大于1000με，则ε_e2需按下式进行修正计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&theta;}2}=\frac{1000({\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{2\mathrm{\&theta;q}}-{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_o)}{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{1000}-{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{o.}},{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}_{1000}<\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{2\mathrm{\&theta;q}}<\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}_o\left(7\right)$

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&theta;}2}=1000+\frac{500({\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{2\mathrm{\&theta;q}}-{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{1000})}{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{1500}-{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{1000}}{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_{2\mathrm{\&theta;q}}<\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}_{1000}\left(8\right)i=\mathrm{1,2}$

<math><msub><mi>ε</mi><mi>θ 2</mi></msub><mi>= </mi><mfrac><mrow><msub> <mi>1000 ( △ ε</mi><mi>o</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>2 θ q</mi></msub><mi>)</mi></mrow><mrow><msub> <mi>△ ε</mi><mi>- 1000</mi></msub><msub> <mi>- △ ε</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>△ ε </mi><mi>2 θ q</mi></msub><mi>〉 △ ε</mi><msub><mi></mi><mi>o</mi></msub><mi>( 9 )</mi><BREAK></math>

其中等效2向压痕应变增量△ε_2eg为：

△ε_2eg＝△ε₂-△ε_2p（10）

式（10）中的塑性修正2向压痕应变增量△ε_2P为：

△ε_2P＝△ε^＊ _-γel-△ε_-γe2

其中

E、将由式（4）或（5）或（6）计算的ε_e1和由式（7）或（8）或（9）计算的△ε_e2代入式（3）计算主应力σ₁和σ₂。

3、焊接试板残余应力测试

350×450×28毫米和535×500×22毫米的两块对接焊接试板，其母材为16MnR，焊条为结507。试板焊接前经650℃×1hr退火。焊后在试板中部垂直焊缝的方向上用压痕法测试焊接残余应力分布，采用砂轮打磨和砂布轮抛光方法制备待测表面。由于焊缝及其近区高残余拉应力区的主应力方向与焊接方向基本一致，因此压痕法的贴片方向采取和焊缝方向相同（另一向垂直焊缝），直接测取焊接纵向（σ_x）横向（σ_y）残余应力。压痕法测试残余应力完成后，在350×450×28mm的对接试板上，在距压痕法测残余应力的断面30mm的断面位置上用全释放法测试残余应力，以资比较。测试结果示于图5和6。显然，在两种不同厚度对接焊接试板上用压痕法测得的残余应力分布符合一般焊接残余应力分布规律，并且与全释放法有较好的对应关系。

总之，本发明具有被测工件基本不受损，测试方法与小孔法相似，非常简单，且由于使用冲击载荷，特别适用于现场测试。

参考文献

1.John    H    Uvderwood，Resldual-Stress    Measurement    Uslng    Surface    Dispacements    Around    an    Indentatlon，Experlmental    Mechanlcs，373-380，Sep.1973.

Claims (3)

1、一种测定残余应力的方法，包括下述步骤：

-在欲测残余应力部位贴应变花，各应变片距焦点等距；

-由压痕直径及其产生的应变增量计算得到初始残余应变，按弹性力学方法计算主应力方向2和主应力σ，其特征在于：

贴好应变花后，在焦点处用冲击载荷制造球冠形压痕，测定球冠压痕直径d及由其使应变花各应变片产生的应变增量Δε和d，通过下述两式计算各应变片方向的初始残余应变ε

Δε=A+Bε  (1)

Δε=C+Dd   (2)

其中A、B、C、D由标定试验测定。

2、按权利要求1所述方法，其特征在于依据（1）（2）两式规律，可以由图解法或计算法确定初始残余应变，再按弹性力示计算主应力及其方向。

3、按权利要求1、2所述方法，其特征在于如果残余应力的主应力方向已知，则可沿主应力方向贴双向应变花，通过测取压痕直径d和两应变片的应变增量△ε₁和△ε₂，由式（1）（2）计算ε₁和ε₂，再按弹性力学计算主应力σ₁和σ₂。

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