CN111964824A - 一种基于压入能量差测试残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压入能量差测试残余应力的方法，所述方法包括无应力材料压痕曲线的获取、试样表面准备、压头第一次加载压入、压头第二次加载压入和数据处理五个步骤，采用努式压头对待测试样进行两次间隔压入，得到两条载荷‑深度曲线，与预先获得的无应力试样的载荷‑深度曲线对比分析，利用努式压头在试样横向和纵向与无应力状态下的压入能量差来计算得到横向和纵向残余应力大小。本发明无需粘贴应变片或配备光学测量装置，利用本发明提供的计算公式即可通过压痕曲线计算二向残余应力，测试方法简单，测试结果准确可靠。

Description

一种基于压入能量差测试残余应力的方法

技术领域

本发明涉及应力分析测试技术领域，尤其涉及一种基于压入能量差测试残余应力的方法。

背景技术

残余应力是指存在于物体内且达到平衡的内应力。残余应力广泛存在于机械加工、装备制造业等产品中。有害残余应力的存在会削弱结构的强度，大大增加产品失效损坏的风险，如应力腐蚀开裂、蠕变失效、疲劳失效、变形失效等。在一些高危环境中，若构件中的残余应力没有得到有效监测和控制，往往会造成无法挽回的巨大损失。尤其在在能源、化工、航天、交通等重大装备制造业中，残余应力的检测和控制越来越受到技术人员的关注。

残余应力的测试方法大致可分为物理测试法和无损测试法。物理测试法包括钻孔法、层削法、切条法、轮廓法等。这些测试方法发展较为成熟，有相对完善的测试理论；然而缺点在于对试样的破坏性，对于一些在役设备的应力检测无法应用。无损测试法包括X射线衍射法、中子衍射法等。这些测试手段往往比物理测试法更为精确，常常作为参考数据被认可；然而缺点在于对测试条件要求严苛，测试成本较高且很难实现现场复杂环境下的检测。

压痕测试法是近年来逐渐受到关注的一种几乎无损的测试方法，只需在待测试样表面形成很小尺寸的压痕即可得到试样表层的残余应力大小。常规的压痕测试法是利用应变片作为敏感元件，通过机械加载在试样表面形成一定尺寸的压痕，利用事先对所测材料标定得到的弹性应变与应变增量的关系得到残余应变大小，进而利用胡克定律求出残余应力的方法。该方法由于需要在待测试样表面粘贴细小的应变片来检测不同方向的应变，对从业者有一定的专业要求，而且在一些复杂或狭小的环境中操作也十分不便。也有国内外学者提出利用异形压头，如努氏压头，对残余应力方向的敏感性来测试二向残余应力，然而由于需要精密的光学测量设备来测量压痕接触面积，因此很难在工程现场应用。本发明提供一种基于压入能量差测试残余应力的方法，该方法可以近乎无损地检测试样二向残余应力大小，无需额外粘贴应变片或配备其他光学测量装置，准确实用且便于操作。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于压入能量差测试残余应力的方法，该方法无需粘贴应变片或配备光学测量装置，大大降低了操作难度，可实现工程现场便捷可靠测试。

一种基于压入能量差测试残余应力的方法，所述方法采用努式压头对测试试样进行两次间隔压入，所述努式压头上耦合有力传感器和位移传感器，所述方法包括以下步骤：

步骤1、获取所要测试材料的无应力状态下压入过程的载荷-深度曲线0，作为标定数据；

步骤2、对所要测试的试样进行表面处理；

步骤3、努式压头第一次加载压入：在未加载区，调整所述努式压头的长轴方向平行于测试试样横向应力方向，缓慢压入测试试样表面，达到设定好的最大压入深度后所述努式压头复位，所述力传感器和位移传感器记录第一次压入过程中的载荷和深度，得到载荷-深度曲线1；

步骤4、努式压头第二次加载压入：移动努式压头至未加载区，调整努式压头长轴方向平行于纵向应力方向，缓慢压入测试试样表面，达到设定好的最大压入深度后所述努式压头复位，所述力传感器和位移传感器记录第二次压入过程中的载荷和深度，得到载荷-深度曲线2；

步骤5、进行数据处理，数据处理步骤为：

步骤5.1、用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；

步骤5.2、对拟合后的三条载荷深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W₀、W₁、W₂，进一步求得ΔW₁＝W₀-W₁，ΔW₂＝W₀-W₂

式中，W₀为无应力状态下压头压入所取压入深度所做的功；

W₁为努式压头第一次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；

W₂为努式压头第二次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；

ΔW₁为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

ΔW₂为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

步骤5.3、代入残余应力计算公式

式中：σ₁，σ₂分别为横向和纵向残余应力；

α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；

ε为压头系数，代表压头非对称性；

计算获得所要测试试样的材料的横向和纵向残余应力的大小和符号。

进一步地，所述步骤2中表面处理的具体步骤为：

步骤2.1、明确测试试样横向和纵向应力的方向，根据试样横向和纵向应力的方向确定两次压入的相对位置；

步骤2.2、采用手工或机械打磨试样表面的方法对测试试样的测量表面进行清污或平整处理，打磨时力量要适中且均匀。

进一步地，所述步骤1中载荷-深度曲线0的两个获取渠道为：

一是预先对各种材料进行压痕试验，获得材料数据库，在使用时直接调用；

二是在现场测试较大设备时取远离待测点位置，或认为应力大小可忽略不计的部位进行第一次预压入标定试验。

进一步地，所述步骤3和步骤4的顺序互换。

本发明方法的测试原理：

研究表明，当试样中存在残余应力时，相对于无应力试样，在压入同样的深度时，压缩残余应力会增大载荷，拉伸残余应力则会减小载荷，压入载荷增大或减小的量随着残余应力大小的变化而不同。

本方法主要用于已知应力方向的压力容器与管道(环向和轴向)，焊缝(横向和纵向)或其他已知应力方向的试样上。本发明采用的努式压头由于具有非完全对称的结构，当压头长轴方向分别沿着横向和纵向应力压入时，会产生不同的响应，压头压入试样所做的功可由载荷-深度曲线积分得到。

定义压入能量差为有残余应力和无应力状态下压头压入同样深度时的做功之差：

ΔW＝W₀-W_res

式中：W₀，W_res分别为无应力状态和有残余应力状态压入同样深度时压头做的功。

其中，压入能量W由相应的压痕曲线积分得到。由于压入深度相同，ΔW即为且仅为残余应力的存在而造成的差异，从而排除了材料自身性质，如弹性模量、屈服强度、硬化指数等参数的影响。ΔW可表示为：

ΔW＝σ₁·V₁+σ₂·V₂

式中V₁，V₂分为试样在努式压头横向和纵向方向上作用的体积，σ₁，σ₂分别为横向和纵向残余应力，由于努式压头的自相似性，体积比与压入深度无关，因此有：

V₂＝εV₁

式中ε为压头系数，代表压头非对称性。而应力作用体积V与压入深度有关，令：

式中α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化。故ΔW可表示为：

αΔW＝σ₁+εσ₂

通过横向和纵向两次压入得到的曲线以及无应力压痕曲线计算压入能量差即可联立：

αΔW₁＝σ₁+εσ₂

αΔW₂＝σ₂+εσ₁

求解可得：

有益效果：本方法主要用于已知应力方向的压力容器与管道(环向和轴向)，焊缝(横向和纵向)或其他已知应力方向的试样上，有益效果为：

1)、无需粘贴应变片或配备光学测量装置，大大降低了操作难度；

2)、仅需在待测部位压入很小的深度即可拟合获得压入较大深度时的数据；

3)、测试过程容易实现自动化；

4)、测试结果已通过模拟和实验证明更加准确可靠；

5)、测试结束后在试样表面留下1mm左右长度的压痕，可忽略影响，认为无损或微损。

附图说明

图1为本发明无应力、横向应力和纵向应力的载荷-深度曲线图；

图2为本发明所用努式压头立体图；

图3为本发明努式压头压痕位置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明所采用的技术方案是，采用努式压头对待测试样进行两次间隔压入，利用与压头部件耦合的力传感器和位移传感器同步记录下压头的载荷和位移数据，得到两条载荷-深度曲线，与预先获得的无应力试样的载荷-深度曲线对比分析。利用努式压头在试样横向和纵向与无应力状态下的压入能量差来计算得到横向和纵向残余应力大小。本发明无需粘贴应变片或配备光学测量装置，仅从压痕曲线即可识别二向残余应力。

本发明的一种基于压入能量差测试残余应力的方法，具体步骤为：

步骤1、无应力材料压痕曲线的获取。

作为预知量，可以从两种渠道获得：一是预先对各种材料进行压痕试验，获得材料数据库，在使用时直接调用；二是在现场测试较大设备时取远离待测点位置，或认为应力大小可忽略不计的部位进行第一次预压入标定试验。从而得到相应无应力材料的载荷-深度曲线0。

步骤2、对所要测试的试样进行表面准备：

步骤2.1、明确横向应力σ₁和纵向应力σ₂的方向以确定两次压入的相对位置；

步骤2.2、对测量试样的表面进行清污和平整处理，具体做法是采用手工或机械打磨试样表面，打磨时力量要适中、均匀，避免引入额外的磨削应力。

步骤3、压头第一次加载压入

移动努式压头至未加载区，调整努式压头长轴方向平行于横向缓慢压入材料表面，压入速度可选择1mm/min左右，最大压入深度可选择0.05mm左右，达到设定好的最大深度后压头复位。通过与压头耦合的力传感器与位移传感器记录下第一次压入过程的载荷-深度曲线1。

步骤4、压头第二次加载压入

移动压头到未加载区域并水平旋转90度，调整努式压头长轴方向平行于纵向缓慢压入材料表面，要求与步骤3相同，记录下第二次压入过程的载荷-深度曲线2。

步骤3与步骤4无先后顺序。测试结束后压痕位置如图3所示，会在试样表面留下1mm左右长度的压痕，一般可忽略影响，认为无损或微损。

步骤5、数据处理

步骤5.1、用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；

步骤5.2、对拟合后的曲线0～2计算相同深度下的积分值获得对应的压头做功W₀、W₁、W₂，进一步求得ΔW₁＝W₀-W₁，ΔW₂＝W₀-W₂；

式中，W₀为无应力状态下压头压入设定好的压入深度所做的功；

W₁为努式压头第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入深度所做的功；

W₂为努式压头第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入深度所做的功；

ΔW₁为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

ΔW₂为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

步骤5.3、代入公式

计算获得所要测试的试样材料的横向和纵向残余应力大小和符号，

式中：σ₁，σ₂分别为横向和纵向残余应力；

α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；

ε为压头系数，代表压头非对称性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于压入能量差测试残余应力的方法，所述方法采用努式压头对测试试样进行两次间隔压入，所述努式压头上耦合有力传感器和位移传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、获取所要测试材料的无应力状态下压入过程的载荷-深度曲线0，作为标定数据；

步骤2、对所要测试的试样进行表面处理；

步骤3、努式压头第一次加载压入：在未加载区，调整所述努式压头的长轴方向平行于测试试样横向应力方向，缓慢压入测试试样表面，达到设定好的最大压入深度后所述努式压头复位，所述力传感器和位移传感器记录第一次压入过程中的载荷和深度，得到载荷-深度曲线1；

步骤4、努式压头第二次加载压入：移动努式压头至未加载区，调整努式压头长轴方向平行于纵向应力方向，缓慢压入测试试样表面，达到设定好的最大压入深度后所述努式压头复位，所述力传感器和位移传感器记录第二次压入过程中的载荷和深度，得到载荷-深度曲线2；

步骤5、进行数据处理，数据处理步骤为：

步骤5.1、用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；

步骤5.2、对拟合后的三条载荷深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W₀、W₁、W₂，进一步求得ΔW₁＝W₀-W₁，ΔW₂＝W₀-W₂

式中，W₀为无应力状态下压头压入所取压入深度所做的功；

W₁为努式压头第一次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；

W₂为努式压头第二次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；

ΔW₁为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

ΔW₂为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；

步骤5.3、代入残余应力计算公式

式中：σ₁，σ₂分别为横向和纵向残余应力；

α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；

ε为压头系数，代表压头非对称性；

计算获得所要测试试样的横向和纵向残余应力的大小和符号。

2.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差测试残余应力的方法，其特征在于：所述步骤2中表面处理的具体步骤为：

步骤2.1、明确测试试样横向和纵向应力的方向，根据试样横向和纵向应力的方向确定两次压入的相对位置；

步骤2.2、采用手工或机械打磨试样表面的方法对测试试样的测量表面进行清污或平整处理，打磨时力量要适中且均匀。

3.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差测试残余应力的方法，其特征在于：所述步骤1中载荷-深度曲线0的两个获取渠道为：

一是预先对各种材料进行压痕试验，获得材料数据库，在使用时直接调用；

二是在现场测试较大设备时取远离待测点位置，或认为应力大小可忽略不计的部位进行第一次预压入标定试验。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于压入能量差测试残余应力的方法，其特征在于：所述步骤3和步骤4的顺序互换。

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