CN110243516A - 一种实时测试板材内部残余应力分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时测试板材内部残余应力分布的方法，包括：自板材表面沿垂直板材表面方向向下多道次切割形成切缝，打破残余应力在板材上的平衡继而产生翘曲变形，每切割一道次后利用位移测试装置测量板材表面的翘曲量，依据公式求解每切割一道次后板材的残余应力。本发明可以实现金属厚板从表面到心部残余应力分布的实时测试，从而获得厚板残余应力在厚度上的分布，为衡量金属厚板内部残余应力水平提供重要的评价指标。

Description

一种实时测试板材内部残余应力分布的方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于切缝翘曲量的板材内部残余应力实时测试方法。
背景技术
铝合金等金属厚板广泛应用于航空航天等大型设备，然而残余应力的存在，会导致厚板在机加工成零部件过程中产生变形，无法满足使用要求，残余应力的存在，还会引起应力腐蚀、应力集中，疲劳断裂等，造成安全隐患，因此，金属厚板残余应力的检测非常重要。目前残余应力测试方法多为表面或者近表面检测，难以有效评价金属厚板内部残余应力大小及分布，因此，非常需要一种金属厚板内部残余应力的实时、便捷、低成本的测试方法。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种实时测试板材内部残余应力分布的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种实时测试板材内部残余应力分布的方法，其特征在于，所述方法包括：自板材表面沿垂直板材表面方向向下多道次切割形成切缝，打破残余应力在板材上的平衡继而产生翘曲变形，每切割一道次后利用位移测试装置测量板材表面的翘曲量，依据公式：其中，σx—残余应力，E—弹性模量，l—翘曲量测量位置与切缝的垂直距离，x—切缝深度，dx—每道次切割深度，h—板材表面翘曲量，dh—每切割一道次后板材表面产生的翘曲量的增量，s—板材厚度，求解每切割一道次后板材的残余应力。由于残余应力在厚度上的分布需要保持平衡，因此残余应力从表面向心部逐渐过渡，表面与心部残余应力数值相反，为了有效获得板材内部残余应力在板材厚度上的分布，切缝切割深度应小于等于1/8板厚。
根据上述的方法，其特征在于，每道次切割深度大于0且小于等于板材厚度的1/8。
根据上述的方法，其特征在于，所述位移测试装置为千分表。
根据上述的方法，其特征在于，切割初始，切缝深度x为0，翘曲量h为0，表面残余应力可依据第一道次切割深度的翘曲量获得，计算公式为：
本发明的有益技术效果，可以实现金属厚板从表面到心部残余应力分布的实时测试，从而获得厚板残余应力在厚度上的分布，为衡量金属厚板内部残余应力水平提供重要的评价指标。
附图说明
图1为未切缝时，残余应力在待切割路径的上分布示意图；
图2为切缝深度为x时厚板横截面变形示意图；
图3为切割过程约束位置和变形采集位置；
图4为采用本发明的方法(切缝翘曲法)残余应力测试结果；
图5为采用本发明的方法(切缝翘曲法)与裂纹柔度法残余应力测试值对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种实时测试板材内部残余应力分布的方法，包括：自板材表面沿垂直板材表面方向向下多道次切割形成切缝，即后续道次在前序道次的基础上继续向下进行切割，打破残余应力在板材上的平衡继而产生翘曲变形，每切割一道次后利用位移测试装置(优选千分表)测量板材表面的翘曲量，依据公式其中，σx—残余应力，E—弹性模量，l—翘曲量测量位置与切缝的垂直距离，x—切缝深度，dx—每道次切割深度，为了实现板材不同厚度部位残余应力的有效测试表征，每道次切割深度dx大于0且小于等于板材厚度的1/8(例如1/9、1/10、1/11等)，h—板材表面的翘曲量，dh—每切割一道次后板材表面产生的翘曲量的增量，s—板材厚度，求解每切割一道次后即在该切缝深度x部位时板材的残余应力。
当切割1道次时，切缝深度x为该道次的切割深度；当切割2道次时，切缝深度x为2个道次的切割深度之和；当切割3道次时，切缝深度x为3个道次的切割深度之和，以此类推。
(1)初始状态残余应力分布分析；
未切割时，铝合金厚板处于静止平衡状态，因此，对于切缝，板材厚度上残余应力的合力F(σx)在板厚上等于0，如图1所示。l为翘曲量测量位置与切缝的垂直距离，s为板厚，假设试样宽度为单位尺寸。中心虚线区域为待切割区域，切缝宽度为t。
F(σx)＝0 (1)
(2)切割过程残余应力释放量计算；
沿板材表面向下进行切割，此时切缝深度为x，厚板横截面变形示意图如图2所示。切缝打破残余应力合力F(σx)在厚度上的分布，板材产生弯曲变形，θ为残余应力释放产生的弯曲转角，h为板材表面的翘曲量。由于切缝区域剩余板材的厚度为(s-x)，切缝区域的刚度小于其他部位，因此残余应力不平衡区域位于切缝宽度范围内，因此发生弯曲的宽度可近似认为出现在切缝宽度t部位。
切缝深度x部位的残余应力为σx，弯曲中性面经过DH路径，弯曲曲率半径为ρ，切缝底部到中性面的距离为c，由于残余应力无法超过材料的屈服强度，因此板材应力释放过程的变形为弹性范围内的变形。根据梁纯弯曲理论，中性面通过横截面的形心，切缝区域近似为矩形轮廓，因此形心位于未切缝部分的中心部位。切缝底部到中性面的距离c与切缝深度具备以下关系：
c＝(s-x)/2 (2)
切缝深度为x时，厚板L向残余应力平衡被打破，残余应力释放弯矩Mx，假设弯曲转角为θ，翘曲量为h，E为弹性模量，I为惯性矩，板材重新达到平衡。弯曲曲率半径ρ与弯矩Mx具备以下关系[1]：
由于弯矩M由切割部位残余应力的释放引起，并且初始状态下板材处于平衡状态，即F(σx)＝0，因此，切割部位残余应力的合力Fx(σx)与引起弯矩的合力FM(σx)大小相等，方向相反。
Fx(σx)+FM(σx)＝0 (4)
切割深度为x时，合力FM(σx)分布在x深度部位，切割深度为dx时，可认为FM(σx)均匀分布在dx深度区间，合力FM(σx)在dx深度区间产生的弯矩可表示为：
根据几何关系，t为切缝宽度，可建立弯曲曲率半径与弯曲转角的关系：
根据等式(3)～(6)，可建立残余应力释放产生的合力与弯曲转角的关系：
对于铝合金厚板，残余应力释放过程为弹性应力的释放，弯曲转角θ很小：
对于矩形横截面，惯性矩I可表示为：
由等式(7)～(9)可知，切割深度x时，残余应力释放的合力Fx(σx)可表示为：
由等式(10)，可知，对于切割深度x部位的残余应力σx，可表示为：
切割初始，切缝深度x为0，翘曲量h为0，表面残余应力的计算公式可简化为：
(1)将金属厚板的一端固定，如图3剖面线部分，固定部分的长度小于试样长度的1/2，然后将位移测试装置放置于板材一端边缘，在试样表面，沿着板厚进行分步地切割，通过缝隙的切割释放残余应力，根据每次切割深度dx下的翘曲量增量dh，以及等式(10)，可实时获得本方法(简称切缝翘曲法)每次切割深度dx的残余应力测试结果，如图4所示。
(2)图5为本方法与裂纹柔度法残余应力对比，由图5可知，切缝翘曲法与裂纹柔度法残余应力测试结果趋势相吻合，Pearson Correlations系数为0.978，表明吻合性很好，本方法(简称切缝翘曲法)获得的残余应力分布，能够有效的表明板材残余应力分布。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实时测试板材内部残余应力分布的方法，其特征在于，所述方法包括：自板材表面沿垂直板材表面方向向下多道次切割形成切缝，打破残余应力在板材上的平衡继而产生翘曲变形，每切割一道次后利用位移测试装置测量板材表面的翘曲量，依据公式：其中，σx—残余应力，E—弹性模量，l—翘曲量测量位置与切缝的垂直距离，x—切缝深度，dx—每道次切割深度，h—板材表面翘曲量，dh—每切割一道次后板材表面产生的翘曲量的增量，s—板材厚度，求解每切割一道次后板材的残余应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每道次切割深度大于0且小于等于板材厚度的1/8。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位移测试装置为千分表。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，切割初始，切缝深度x为0，翘曲量h为0，表面残余应力可依据第一道次切割深度的翘曲量获得，计算公式为：
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