CN1112575C - 一种剩余残余应力的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种根据剩余应变测定剩余残余应力的方法，其步骤是：1)在最大残余拉应力区，沿残余应力方向贴应变片，记录初始应变ε₁；2)沿残余应力方向加载，记录卸载前应变ε₂；3)卸载，记录卸载后应变ε₃；4)把ε_r＝ε₃-ε₁作为塑性应变，根据材料的拉伸曲线获得应力σ_εr；5)计算加载应力σ_a；6)根据σ_r＝σ_εr-σ_a计算剩余残余应力σ_r。本发明适用于材料屈服后的情况，不需专用仪器和特定工序、操作简便、结果可靠。

Description

一种剩余残余应力的测定方法

本发明涉及计量测试领域，具体是一种根据剩余应变测定剩余残余应力的方法。

在现有技术中，残余应力的传统测试方法很多，分为损伤测试法、无损测试法和计算法。其中，损伤测试法种类繁多，包括切条法(完全破坏)、切槽法、钻孔法、套孔法、盲孔法、压痕法、冲击压痕法、剥层法等，其测试精度高，但被测工件受到不同程度的破坏，因此适用性受到很大限制；无损测试法包括X射线衍射法、超声波法、磁声发射法、磁性法、脆性涂层法、硬度测试法、全息干涉法等，其原理是通过测量由残余应力引起的材料某种物理参数的变化，来间接地测量残余应力的大小和方向，因此不会破坏待测工件，适用范围广，无损测试法中只有X射线衍射法比较成熟，它不受场地限制，可测量应力变化梯度大的应力分布，但它仅适用于测量应力应变关系满足虎克定律的金属材料，而且X射线应力测定仪价格昂贵，操作复杂，而且有碍人体健康。

为了克服上述不足，本发明提供一种适用于材料屈服后的情况、不需专用仪器和特定工序、操作简便、结果可靠的测定剩余残余应力的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：适用于单向应力状态，具有如下操作步骤：

1)在试样残余拉应力最大的区域，沿平行于残余应力的方向粘贴应变片，并记录初始应变ε₁；

2)加载，其加载应力的方向应与残余应力的方向一致，记录应变仪的卸载前应变值ε₂；

3)卸载，并读出应变仪的卸载后应变值ε₃；

4)把剩余应变ε_r＝ε₃-ε₁作为塑性应变，并根据具体材料的标准拉伸曲线获得应力σ_εr，σ_εr的意义与条件屈服强度σ_0.2相同；

5)根据构件形状、材质、力学性能参数和所施加的外力，或应变仪的卸载应变和材料的弹性模量计算加载应力σ_a； ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，或 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t};$

6)根据公式σ_r＝σ_εr-σ_a计算剩余残余应力σ_r。所述试样为具有近似单向残余应力分布的直焊缝宽板，加载应力σ_a计算公式为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，其中b为板材的宽度，t为板材的厚度，F为拉伸试验机施加的拉力，E为材料的弹性模量；

所述试样为压力容器纵向直焊缝，加载应力σ_a计算公式为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t},$ 其中p为容器内压，a为容器半径，t为容器壁厚。

本发明具有如下优点：

本发明能适用于应力应变关系不满足虎克定律情况(材料屈服后)，具有不需专用仪器和特定工序的特点，只需对构件施加一定的载荷，使残余拉应力区发生一定的屈服量，同时进行常规应变测试，测出剩余应变，即可根据σ_r＝σ_εr-σ_a式和材料的拉伸曲线计算出剩余残余应力，操作简便，成本低廉又无害于健康；另外，本发明结果可靠，经过三杆拉伸模型验证，误差不超过千分之四。

下面结合具体实施例，对本发明的基本原理和操作过程作进一步详细说明。

对于单向应力状态，操作步骤如下：

1)在试样残余拉应力最大的区域，沿平行于残余应力的方向粘贴应变片，并记录初始应变ε₁；

2)加载，其加载应力的方向应与残余应力的方向一致，记录应变仪的卸载前应变值ε₂；

3)卸载，并读出应变仪的卸载后应变值ε₃；

4)把剩余应变ε_r＝ε₃-ε₁作为塑性应变，并根据具体材料的标准拉伸曲线获得应力σ_εr所述σ_εr的意义与条件屈服强度σ_0.2相同；

5)根据构件形状、材质、力学性能参数和所施加的外力，或应变仪的卸载应变和材料的弹性模量计算加载应力σ_a； ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，或 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t};$

6)测定剩余残余应力σ_r的公式为：σ_r＝σ_εr-σ_a其中：

σ_r表示剩余残余应力，ε_r表示剩余应变；σ_εr表示产生ε_r的塑性应变所对应的应力，该值可以根据所用材料标准拉伸应力应变曲线得到；σ_a表示外载所产生的应力，可以根据外力，内压和构件的几何形状计算出来；

所述试样具有近似单向残余应力分布的直焊缝宽板，加载应力σ_a计算公式为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，其中b为板材的宽度，t为板材的厚度，F为拉伸试验机施加的拉力，E为材料的弹性模量；

所述试样为压力容器纵向直焊缝，加载应力σ_a计算公式为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t},$ 其中p为容器内压，a为容器半径，t为容器壁厚。

本发明的基本原理如下：

在对烷基铝储罐进行受力分析和测试时，虽然载荷应力远没有达到材料的屈服极限，但卸载后却发现了屈服现象—应变仪显示的剩余应变，这必然是由于残余应力与外部载荷叠加，引起局部材料屈服所导致的。在超载处理过程中，只要测出关注部位加载过程中发生的剩余应变，经分析就可得到超载处理前后的剩余残余应力，对大多数压力容器来说打水压试验是必经工序，而且水压试验压力大于正常工作压力。由于焊缝区往往有很高的残余拉应力，二者的叠加总会使焊缝金属产生或多或少的屈服，释放一些残余应力，并反映出剩余残余应力的大小。

实施例1

具有近似单向残余应力分布的中心直焊缝宽板试样，材质为1Cr18Ni9不锈钢，E＝196Gpa；

作为中心带直焊缝的宽板，垂直于焊缝方向的残余应力远比平行于焊缝的纵向残余应力小，可以忽略不计，因此看作单向残余应力应力状态。加载时，要设计专用夹头，处理好夹持部分的应力集中问题，粘贴应变片之前，要把焊缝表面待粘贴部位磨平，根据其简单结构，加载应力可以用两种计算方法得出：或是由 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{at}}$ 得出，其中a表示板材的宽度，t表示板材的厚度，F表示拉伸试验机施加的拉力，也可以根据弹性卸载假设，由公式σ_a＝E(ε₂-ε₃)求出，其中E为材料的弹性模量，后者不受夹持部分滑动和其它因素的干扰，适用于各种场合；

具体操作过程如下：

1)在试样对称中心线部位的直焊缝上，打磨出一片平坦光滑区域，面积大小至少满足粘贴一个应变片的需要，沿平行于应力的方向粘贴应变片，测得初始应变ε₁＝-0.001524；

2)把试样通过特制夹头夹持在拉伸试验机上加载，测得卸载前应变ε₂＝0.000527；

3)卸载，从应变仪测得卸载后应变值ε₃＝0.000026；

4)把剩余应变ε_r＝ε₃-ε₁＝0.00155＝0.15％作为塑性应变，并根据材料1Cr18Ni9的标准拉伸曲线获得应力 ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_r}={\mathrm{\σ}}_{0.15}=180\mathrm{MPa};$

5)计算加载应力σ_a，根据构件形状、材质、力学性能参数和所施加的外力，其加载应力 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}},$ 其中F＝57kN，a＝200mm，t＝2.84mm所以，σ_a＝100.4MPa；或者根据应变仪的卸载应变和材料的弹性模量，其加载应力σ_a＝E(ε₂-ε₃)＝98.2MPa；

6)根据公式 ${\mathrm{\σ}}_r={\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_r}-{\mathrm{\σ}}_a={\mathrm{\σ}}_{0.15}-{\mathrm{\σ}}_a$ 可得剩余残余应力σ_r＝79.6～81.8MPa；

切割实验后的试样，与释放法测量剩余残余应力的结果85MPa相比，超载法测定结果的误差是：-6.4％～-4.1％。

实施例2压力容器纵向直焊缝，材质为16MnR，σ_0.2＝300Gpa；与纵向残余应力相比，压力容器筒体直焊缝的横向残余应力很小，可以忽略不计，故将其近似当作单向残余应力对待，压力容器在内压作用下，器壁应力虽然属于二向应力状态，但是，由于环向没有残余应力，即使在打水压时一般也不会出现屈服现象，这时，可以根据测定焊缝的纵向剩余应变，直接用 ${\mathrm{\σ}}_r={\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_r}-{\mathrm{\σ}}_a$ 式求解剩余残余应力，其中外载荷所产生的应力σ_a可以根据压力容器筒体的受力分析 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{pa}}{2t},$ 其中p为内压，a为筒体半径，t为容器壁厚；

具体操作过程如下：

1)在压力容器筒体直焊缝上打磨出一光滑平台，沿直焊缝纵向粘贴一个应变片，测定初始应变ε₁＝-0.001720；

2)加载，即给压力容器打水压，记录卸压前容器的压力p＝1.75MPa；

3)卸载，读出应变仪的卸载后应变值ε₃＝-0.000710；

4)把剩余应变ε_r＝ε₃-ε₁＝0.001＝0.1％作为塑性应变，并根据材料16MnR的标准拉伸曲线获得应力 ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_r}={\mathrm{\σ}}_{0.1}\≈200\mathrm{MPa};$

5)计算加载应力σ_a，根据压力容器筒体的受力分析 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{pa}}{2t},$ 其中p＝1.75MPa，a＝0.5m，t＝0.008m，所以σ_a≈55MPa；

6)根据公式 ${\mathrm{\σ}}_r={\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_r}-{\mathrm{\σ}}_a={\mathrm{\σ}}_{0.1}-{\mathrm{\σ}}_a,$ 求得剩余残余应力σ_r＝145MPa；

本发明适用于材料拉伸曲线没有屈服平台且加载操作易于控制的的构件；应变片最好粘贴在最大残余拉应力区，否则会影响精度，甚至无法测定。

Claims (3)

1.一种剩余残余应力的测定方法，适用于单向应力状态，其特征在于：具有如下操作步骤：

1)在试样残余拉应力最大的区域，沿平行于残余应力的方向粘贴应变片，并记录初始应变ε₁；

2)加载，其加载应力的方向应与残余应力的方向一致，记录应变仪的卸载前应变值ε₂；

3)卸载，并读出应变仪的卸载后应变值ε₃；

4)把剩余应变ε_r＝ε₃-ε₁作为塑性应变，并根据具体材料的标准拉伸曲线获得应力σ_εr；

5)根据构件形状、材质、力学性能参数和所施加的外力，或应变仪的卸载应变和材料的弹性模量计算加载应力σ_a； ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，或 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t};$

6)根据公式σ_r＝σ_εr-σ_a计算剩余残余应力σ_r。

2.按照权利要求1所述残余应力测定方法，其特征在于：所述试样为具有近似单向残余应力分布的直焊缝宽板，加载应力σ_a计算公式为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{F}{\mathrm{bt}}$ 或σ_a＝E(ε₂-ε₃)，其中b为板材的宽度，t为板材的厚度，F为拉伸试验机施加的拉力，E为材料的弹性模量。

3.按照权利要求1所述残余应力测定方法，其特征在于：所述试样为压力容器纵向直焊缝，加载应力 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\mathrm{Pa}}{2t},$ 其中p为容器内压，a为容器半径，t为容器壁厚。