CN111006812A - 一种应力测试精度校验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力测试精度校验装置，包括用于安装各部件的主体框架，用于测试拉力的测力传感器、用于测试应力的矩形截面单向拉伸试件、用于夹紧单向拉伸试件的夹紧机构、调节弹性片应力的拧紧螺母等部件组成。该装置操作简单，精度较高，重量轻、体积小，便于操作和携带。本发明还公开了一种应力测试精度校验方法，包括：步骤A：旋转拧紧螺母，调整弹性片上拉力值F_i，用测力传感器测量并记录；步骤B：用应力分析仪测定此时弹性片的应力值σ_i；步骤C：调整拧紧螺母，记录多组(F_i，σ_i)数据；步骤D：拟合一条F‑σ曲线，通过分析数据离散度，分析应力分析仪对该材料应力测试精度。

Description

一种应力测试精度校验方法及装置

技术领域

本发明涉及应力测试领域，尤其涉及一种用于应力测试精度校验的装置及校验方法。

背景技术

残余应力对零件、材料的性能有显著的影响，且作用机制复杂，既有有害的一面也有有利的一面。因此测试并控制残余应力，是保证产品相关性能的重要工作，成为国内外的研究热点。残余应力无法直接感知，因此，出现了大量残余应力测试技术和设备，原理各不相同。其中，基于X射线衍射法的应力测试技术及对应设备最为成熟、应用最广。

基于X射线衍射法的应力测试技术和相应设备在机加、热处理、表面强化、焊接等多个领域得到应用，以评判生产工艺、预测产品寿命、分析失效原因等。应力测试测试精度决定了分析、评判结论的可靠性。在应力测试过程中，由于应力测试设备的安装精度以及测试方法的差异，往往造成测试结果偏差较大，甚至测试结果错误。在没有对测试设备和测试方法进行精度校验的情况下测试材料残余应力，测试精度难以保证，不确定度较高，应力测试结果可信度不高。

为解决上述问题，X射线衍射法应力测试的国家标准对应力测试的标定方法有了明确规定，即在应力测试前，采用与被测材料相同的无应力粉末标样对设备进行标定，确定零应力状态的基准。但确定零应力基准无法保证有应力材料的测试准确性，因此研究出了等强度梁的方法，通过搭建等强度梁试验台，通过施加砝码载荷，定量增加等强度梁的应力。但这种方法结构较为复杂，体积较大，不易携带，不适于测试现场精度校验，且等强度梁被测面为斜弧面，对基于Sin²ψ法的大多数应力测试仪的测试精度影响较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有应力测试精度校验方法存在的问题，本发明提供一种结构简易、操作简单、便于携带的高精度应力测试精度校验装置及方法，能够对基于X射线衍射法的应力仪的应力测试精度进行校验，保证应力测试的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种应力测试精度校验装置，包括：拧紧螺栓、拧紧螺母、框架、测力传感器、弹性片夹持机构、夹具螺钉、弹性片、底板；

弹性片夹持机构包括夹具座和夹具压块，弹性片两端通过夹具座连接测力传感器和框架内壁，测力传感器测量施加在弹性片上的拉力值；夹具压块安装在夹具座上，分别夹紧弹性片的两端；弹性片两端的夹具压块之间的距离能够调节；测力传感器另一端通过拧紧螺栓安装在框架内，拧紧螺栓穿过框架侧壁的端部通过拧紧螺母固定；拧紧螺母与拧紧螺栓配合，通过拧紧和松开拧紧螺母调整施加于弹性片的拉力和弹性片上的应力值；框架安装在底板上。

框架为方形框，对称的两个侧面分别设置腰形孔，框架的材料选用马氏体不锈钢。

底板的材料为聚四氟乙烯。

弹性片为单向拉伸试验用矩形截面标准试样，厚度T根据不同材料的特性定制，取值范围为1mm≤T≤3mm；弹性片的材料与被测物体的材料的一致，加工后做完全退火处理。

一种应力测试精度校验装置，还包括解码器，解码器用于读取测力传感器上的拉力。

应力测试精度校验方法，包括以下步骤：

步骤1：将与被测物体材料相同的弹性片及测力传感器安装到框架上，调整弹性片与框架底面平行，将测力传感器通电，解码器归零；

步骤2：旋转拧紧螺母，拉紧弹性片，在弹性片上施加拉力F₁，使测力传感器的解码器读数为0.1kg，记录该拉力值；

步骤3：将步骤2中施加了拉力F₁的应力测试精度校验装置放于应力分析仪下，准直器对准弹性片的中心位置，调整应力分析仪与弹性片的方向，测试弹性片上拉伸方向的应力σ₁，并记录应力值；

步骤4：逐步增大施加在弹性片上的拉力F，每次拉力增加0.5kg，重复步骤2和步骤3，测试若干组(F_i，σ_i)数据；i为正整数；

步骤5：以拉力F为横坐标，以应力σ为纵坐标，建立坐标系，将所测若干组(F_i，σ_i)数据拟合成一条直线，用最小二乘法计算出应力σ数据的R²值；

步骤6：评价应力测试精度，R²越接近1则应力测试精度越高，R²越小则应力测试精度越低。

所述步骤6中，评价应力测试精度的评价标准如下：

(1)R²≥0.95则判定应力测量精度符合要求；

(2)R²＜0.95则判定应力测试精度低，不满足要求，需重新校准。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

区别于现有的等强度梁校验应力测试精度的方法，本发明中弹性片通过两个平行的夹具加持，应力测试面与测头垂直，满足应力分析仪的测试要求；本发明采用测力传感器加解码器的方式测量弹性片的拉力，相对等强度梁的方法，测量结果更加直观易读；本发明相对于等强度梁装置，体积小，高度低，对设备无特殊要求，适用于大多数基于X射线衍射法的应力分析仪，适用范围更广。

附图说明

图1是本发明应力测试精度校验装置实施方式的示意图；

图2是本发明应力测试精度校验装置中测力组件示意图；

图3是本发明应力测试精度校验装置中弹性片的示意图；

图4是本发明应力测试精度校验方法实施方式的示意图；

图5是不满足应力测试精度要求的拉力-应力曲线示意图；

图6是满足应力测试精度要求的拉力-应力曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，应力测试精度校验装置包括拧紧螺栓1、拧紧螺母2、框架3、测力传感器4、夹具座5、夹具螺钉6、弹性片7、夹具压块8、底板9和解码器(与测力传感器相连，图中未示)。

弹性片夹持机构包括夹具座5和夹具压块8，弹性片7两端通过夹具座5连接测力传感器4和框架3内壁，测力传感器4测量施加在弹性片7上的拉力值；夹具压块8安装在夹具座5上，分别夹紧弹性片7的两端；弹性片7两端的夹具压块8之间的距离能够调节；测力传感器4另一端通过拧紧螺栓1安装在框架3内，拧紧螺栓1穿过框架3侧壁的端部通过拧紧螺母2固定；拧紧螺母2与拧紧螺栓1配合，通过拧紧和松开拧紧螺母2调整施加于弹性片7的拉力和弹性片7上的应力值；框架3安装在底板9上。解码器用于读取测力传感器4上的拉力。

框架3为装置的主体结构，材料选用马氏体不锈钢，有足够的强度，侧面加工出两个长腰形孔，用于测力传感器数据传输线出线和轻量化。测力传感器4两端安装在框架3上，框架3为测力组件提供足够的刚度，保证拉力测量的准确性。

如图2所示为测力组件，其主体为弹性片7和测力传感器4，弹性片7用两个可以调节间距的弹性片夹持机构夹持两端，其中一个弹性片夹持机构与测力传感器4相连，另一个弹性片夹持机构与框架3相连，用于固定测力组件。测力组件中弹性片夹持机构、拧紧螺栓1、拧紧螺母2等的刚度均远大于弹性片7，且与测力传感器4相连无其他约束，保证测力传感器4测到的拉力和弹性片7上承受的拉力一致。

底板9与框架3通过螺钉连接，材料为聚四氟乙烯，用于支撑测力组件的测力传感器，保证校验过程中不引入重力等影响。聚四氟乙烯具有自润滑的特性，减小测试过程中由于传感器移动产生的摩擦力。

如图3所示，弹性片7为标准矩形截面单向拉伸试样，厚度T根据不同材料的特性定制，取值范围为1mm≤T≤3mm，其尺寸按照《GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法》，材料与被测物体的材料的一致，加工后做完全退火处理，降低初始应力。

需要说明的是：弹性片7夹具在安装到框架3和测力传感器4后，可调整角度，能保证弹性片7与测力传感器4底板平行。同时测力传感器4上连接拧紧螺栓1，通过调整拧紧螺母2与框架3相连，测试过程中仅需调整拧紧螺母2即可获得多组拉力值。

应力测试精度校验装置可用于对多种材料、多种波长X射线的应力测试精度进行校验，测试时只需更换对应材料的弹性片7即可。

底板9与框架3相连支撑测力传感器，材料为聚四氟乙烯乙烯，其自润滑性能减小测试过程中测力传感器移动产生的摩擦力，提高拉力测量的准确性。

本发明还提供应力测试精度校验方法，如图4所示，方法包括步骤如下：

步骤1：应力测试精度校验装置安装。将与被测物体材料相同的弹性片7及测力传感器4安装到框架3上，调整弹性片7与框架3底面平行，测力传感器4通电，解码器归零。

步骤2：弹性片7拉力测试。旋转拧紧螺母2，拉紧弹性片7，在单向拉伸试件上施加拉力F₁，使测力传感器4的解码器读数为0.1kg，记录该拉力值。

步骤3：弹性片7应力测试。将步骤2中装置放于应力分析仪下，准直器对准弹性片7的中心位置，调整应力分析仪与弹性片7的方向，测试弹性片7上拉伸方向的应力σ₁，并记录应力值。

步骤4：逐步增大施加在弹性片7上的拉力F，每次拉力增加0.5kg，重复步骤2和步骤3，共测试10组(F_i，σ_i)数据。i为正整数。

步骤5：应力测试精度分析。弹性片7上施加的拉力和其对应的应力的关系如式1所示。

σ＝F/S₀；

式中，

σ为弹性片7上的工程应力；

F为弹性片7上施加的拉力；

S₀为弹性片7矩形截面的初始面积。

弹性片7上的应力和施加与其上的拉力之间为线性关系。以拉力F为横坐标，以σ为纵坐标，建立坐标系，将所测10组(F_i，σ_i)数据拟合成一条直线。用最小二乘法计算出数据的R²值。

步骤6：评价应力测试精度，R²越接近1则应力测试精度越高，R²越小则应力测试精度越低，量化评价标准如下：

(1)R²≥0.95则判定应力测量精度符合要求；

(2)R²＜0.95则判定应力测试精度低，不满足要求，需重新校准。

试验验证

对本发明进行应力测试精度校验的试验验证。某次对奥氏体不锈钢零件进行残余应力测试时，对应力分析仪进行了靶材更换的操作，完成后未进行标定，设备测试精度无法保证，图5所示为X射线应力分析仪标定前进行应力测试精度校验时得到的曲线，其R²值为0.928，小于0.95因此判定为测试精度不满足要求，需对应力分析仪进行标定。对X射线应力分析仪进行标定后，重新进行校验操作，得到的曲线如图6所示。R²值为0.983，大于0.95，判定为合格，满足测试要求，可用于后续对奥氏体不锈钢材质零件残余应力的测试，测试结果可靠。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种应力测试精度校验装置，其特征在于，包括：拧紧螺栓(1)、拧紧螺母(2)、框架(3)、测力传感器(4)、弹性片夹持机构、夹具螺钉(6)、弹性片(7)、底板(9)；

弹性片夹持机构包括夹具座(5)和夹具压块(8)，弹性片(7)两端通过夹具座(5)连接测力传感器(4)和框架(3)内壁，测力传感器(4)测量施加在弹性片(7)上的拉力值；夹具压块(8)安装在夹具座(5)上，分别夹紧弹性片(7)的两端；弹性片(7)两端的夹具压块(8)之间的距离能够调节；测力传感器(4)另一端通过拧紧螺栓(1)安装在框架(3)内，拧紧螺栓(1)穿过框架(3)侧壁的端部通过拧紧螺母(2)固定；拧紧螺母(2)与拧紧螺栓(1)配合，通过拧紧和松开拧紧螺母(2)调整施加于弹性片(7)的拉力和弹性片(7)上的应力值；框架(3)安装在底板(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种应力测试精度校验装置，其特征在于：框架(3)为方形框，对称的两个侧面分别设置腰形孔，框架(3)的材料选用马氏体不锈钢。

3.根据权利要求2所述的一种应力测试精度校验装置，其特征在于：底板(9)的材料为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求3所述的一种应力测试精度校验装置，其特征在于：弹性片(7)为单向拉伸试验用矩形截面标准试样，厚度T根据不同材料的特性定制，取值范围为1mm≤T≤3mm；弹性片(7)的材料与被测物体的材料的一致，加工后做完全退火处理。

5.根据权利要求4所述的一种应力测试精度校验装置，其特征在于：还包括解码器，解码器用于读取测力传感器(4)上的拉力。

6.使用如权利要求1～5任一项所述的装置的应力测试精度校验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将与被测物体材料相同的弹性片(7)及测力传感器(4)安装到框架(3)上，调整弹性片(7)与框架(4)底面平行，将测力传感器(4)通电，解码器归零；

步骤2：旋转拧紧螺母(2)，拉紧弹性片(7)，在弹性片(7)上施加拉力F₁，使测力传感器(4)的解码器读数为0.1kg，记录该拉力值；

步骤3：将步骤2中施加了拉力F₁的应力测试精度校验装置放于应力分析仪下，准直器对准弹性片(7)的中心位置，调整应力分析仪与弹性片(7)的方向，测试弹性片(7)上拉伸方向的应力σ₁，并记录应力值；

步骤4：逐步增大施加在弹性片(7)上的拉力F，每次拉力增加0.5kg，重复步骤2和步骤3，测试若干组(F_i，σ_i)数据；i为正整数；

步骤5：以拉力F为横坐标，以应力σ为纵坐标，建立坐标系，将所测若干组(F_i，σ_i)数据拟合成一条直线，用最小二乘法计算出应力σ数据的R²值；

步骤6：评价应力测试精度，R²越接近1则应力测试精度越高，R²越小则应力测试精度越低。

7.根据权利要求6所述的应力测试精度校验方法，其特征在于，所述步骤6中，评价应力测试精度的评价标准如下：

(1)R²≥0.95则判定应力测量精度符合要求；

(2)R²＜0.95则判定应力测试精度低，不满足要求，需重新校准。

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