CN114739556A - 二次剖切轮廓法残余应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其包括对测试件进行一次剖切获取测试面，测试面上有多个测试点Pi，选取其中一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi相对该参考点在一次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʹ，对测试件进行二次剖切，二次剖切方向与一次剖切方向相同，选取其中一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi相对该参考点在二次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʺ；在测试件的弹性范围内，对测试件施加压力，获取该压力下压强与变形量之间的比值k；计算各测试点Pi残余应力

。

Description

二次剖切轮廓法残余应力测试方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测技术领域，具体而言，涉及一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法。

背景技术

铝合金良好的挤压成形能力，使得复杂横截面测试件在航空航天等领域得到了广泛应用。测试件挤压、热处理等过程不均匀的塑性变形和不均匀冷热处理，导致测试件内部产生不均分布的残余应力。残余应力的存在会导致测试件后续机加工变形甚至开裂，还会降低结构的承载能力，腐蚀环境下还可能引起应力腐蚀等一系列问题，进而降低铝合金测试件的服役性能，因此测试件的残余应力需要得到有效的控制。有效控制的前提需要有效检测测试件内部残余应力分布。受制于测试件复杂的横截面轮廓，可实现测试件内部残余应力有效测试的方法非常有限，常见的方法有轮廓法、中子衍射法等。

轮廓法采用垂直测试件挤压向的理想平面剖切测试件进行残余应力的释放。由于残余应力引起的轮廓面变形位移在几十个微米左右，剖切精度需要保证在微米级，以减少对轮廓位移采集的影响。目前通常采用慢走丝剖切设备，而慢走丝剖切成本远远高于最常见的快走丝、中走丝型线剖切方法。此外，为了减少剖切平面平直度影响，需要对慢走丝剖切产生的两个剖切面进行高精度轮廓扫描，再对数据平均以消除对称误差，并进一步利用样条曲线拟合得到光滑的轮廓面数据，测试过程非常复杂。并且，测试件内部微观组织分布均匀性差异和可能存在化合物夹杂，导致慢走丝局部剖切速率不均匀，显著降低轮廓法残余应力测试结果可靠性，目前工业生产条件下轮廓法难以得到大规模推广应用。中子衍射法采用高穿透能力的中子衍射来计算晶格面间距的改变，进而计算内部残余应力，然而该方法依赖大型中子源，通常用于实验室条件下测试验证，工业生产条件下难以推广应用。

目前，缺乏适用于测试件内部残余应力的低成本残余应力测试方法。

发明内容

本发明提供一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法，以解决现有技术中的适用于检测测试件内部残余应力的方法成本高的问题。

本发明提供了一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其包括：

步骤1：对测试件进行一次剖切以获取测试面，在测试面上设置多个测试点Pi，选取其中一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi相对该参考点在一次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʹ；

步骤2：在距离测试面距离为a的位置处对测试件进行二次剖切，其中，二次剖切的方向与一次剖切的方向相同，选取一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi对该参考点在二次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʺ；

步骤3：计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2，Δu_i2=uiʺ-uiʹ；

计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2的平均值

，

；

计算Δu_i2与

之间的差值Δu_i，

；

步骤4：在测试件的弹性范围内，沿着垂直测试件的一次剖切方向对测试件施加压力，获取该压力下压强与测试件变形量之间的比值k；

步骤5：计算各测试点Pi的残余应力σ_i=k*Δu_i。

进一步地，步骤1中的参考点与步骤2中的参考点为同一个参考点。

进一步地，a设置在4mm至16mm之间。

应用本发明提供的技术方案，采用一次剖切变形量与二次剖切变形量差值Δu_i2替代一次剖切变形量，测试过程只需要测试横截面上同一部位二次剖切前后的变形量差值，避免了现有轮廓法需要严格保证剖切面的平直度的要求，摆脱了对慢走丝电火花剖切设备的依赖，采用普通线剖切设备的两次平行剖切即可实现，显著降低了慢走丝剖切实验成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例提供的测试件的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的测试件在一次剖切后且应力释放前的测试面的应力分布示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的测试件在一次剖切后且应力释放后的测试面产生变形的结构部示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的二次剖切位置示意图；

图5示出了根据本发明实施例提供的二次剖切后试样薄片的应力充分释放后变形示意图；

图6示出了根据本发明实施例提供的测试件在一次剖切后各个测试点分布的结构示意图；

图7示出了根据本发明实施例提供的测试件在二次剖切后各个测试点分布的结构示意图；

图8示出了根据圆柱形探针加载获取压强-探针下压位移斜率过程；

图9示出了根据测试件横截面二次剖切变形分布测试结果云图；

图10示出了根据测试件横截面二次剖切残余应力分布测试结果云图；

图11示出了本发明对比例提供的测试件的结构示意图；

图12示出了根据实施例的测试方法所得应力值以及根据对比例的测试方法得到的应力值之间的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图10所示，本发明实施例提供了一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其包括：

步骤1：对测试件进行一次剖切以获取测试面，在测试面上设置多个测试点Pi，选取其中一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi相对该参考点在一次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʹ；

步骤2：在距离测试面距离为a的位置处对测试件进行二次剖切，其中，二次剖切的方向与一次剖切的方向相同，选取一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi对该参考点在二次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʺ；

步骤3：计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2，Δu_i2=uiʺ-uiʹ；

计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2的平均值

，

；

计算Δu_i2与

之间的差值Δu_i，

；

步骤4：在测试件的弹性范围内，沿着垂直测试件的一次剖切方向对测试件施加压力，获取该压力下压强与测试件变形量之间的比值k；

步骤5：计算各测试点Pi的残余应力σ_i=k*Δu_i。

应用本发明提供的技术方案，采用一次剖切变形量与二次剖切变形量差值

，替代一次剖切变形量，测试过程只需要测试横截面上同一部位二次剖切前后的变形量差值，避免了现有轮廓法需要严格保证剖切面的平直度的要求，摆脱了对慢走丝电火花剖切设备的依赖，采用普通线剖切设备的两次平行剖切即可实现，显著降低了慢走丝剖切实验成本。并且，通过本方案，能够快速评估材料内部残余应力的大小，以及不同批次之材料内部残余应力的波动性，从而实现材料残余应力的有效监控，有助于建立材料残余应力控制标准，提高材料残余应力的均匀性。

如图1至图7所示，本实施例中，测试点的数量为61，即n为61，且61个测试点在测试面上均匀分布。具体地，在步骤1中，取“凸”字型的测试件，使得测试件的总长度为140mm，总高度为70mm，采用普通线剖切设备沿垂直测试件的长度方向，在测试件的中部对测试件进行一次剖切，并获得测试面。并且，定义测试件的长度方向为z方向，一次剖切方向以及二次剖切方向均为y方向。

在测试面划分格栅，并作为测试点，选取测试件底部的中间位置的测试点P55作为参考点，将测试件放置在二维移动平台，采用千分表放置于测试点P55所在的位置，千分表清零，然后通过二维移动平台带动测试件移动，并获取P1至P61各点相对测试点P55在z轴方向的变形位移uiʹ。

在步骤2中，在距离一次剖切后测试面8mm的位置处，采用普通线剖切设备沿垂直测试件的长度方向对测试件进行第二次剖切，得到试样薄片；

将8mm厚的试样薄片再次放置在二维移动平台，采用千分表，再次将千分表放置在P55所在的位置，千分表清零，然后通过二维移动平台带动测试件移动，并获取P1至P61各点相对测试点P55在z轴方向的变形位移uiʺ。本实施例中，两次的参考点均为P55，如此设置，能够保证操作的可靠性和测试的重复性。

如图8所示，在步骤4中，采用直径为1mm的圆柱形探针，垂直测试件横截面施加压力，观察测试件横截面材料在弹性范围内，施加压强与探针下压位移的关系，获得压强-探针下压位移的斜率k。

进一步地，a设置在4mm至16mm之间。当a<4mm时，横向残余压应力容易导致试样平面内压缩失稳；当a>16mm时，两次剖切获得残余应力无法充分释放，产生较大误差。本方案对a的具体数值不做限定，其中，a可设置为4mm、8mm或16mm，本实施例中，a设置为8mm。其中，图9示出了在切割距离为8mm的情况下根据测试件横截面二次剖切变形分布测试结果云图。图10示出了在切割距离为8mm的情况下根据测试件横截面二次剖切残余应力分布测试结果云图。

本发明对比例采用盲孔法对测试件进行残余应力的检测，具体采用GB/T-31310-2014的钻孔应变法检测测试件内部的残余应力。由图7、图11和图12可知，对比例中测试点N1至N16依次对应实施例中的测试点P55、P57、P59、P49、P35、P20、P10、P4、P5、P2、P6、P16、P27、P38、P51、P53。采用盲孔法测试测试件的残余应力的结果与采用本实施例的方法测试测试件的残余应力的结果接近。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

步骤1：对测试件进行一次剖切以获取测试面，在测试面上设置多个测试点Pi，选取其中一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi相对该参考点在一次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʹ；

步骤2：在距离测试面距离为a的位置处对测试件进行二次剖切，其中，二次剖切的方向与一次剖切的方向相同，选取一个测试点Pi作为参考点，测试应力释放后测试点Pi对该参考点在二次剖切方向的垂线方向的变形位移uiʺ；

步骤3：计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2，Δu_i2=uiʺ-uiʹ；

计算二次剖切前后测试点Pi的变形位移之间的差值Δu_i2的平均值

，

；

计算Δu_i2与

之间的差值Δu_i，

；

步骤4：在测试件的弹性范围内，沿着垂直测试件的一次剖切方向对测试件施加压力，获取该压力下压强与测试件变形量之间的比值k；

步骤5：计算各测试点Pi的残余应力σ_i=k*Δu_i。

2.根据权利要求1所述的二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其特征在于，所述步骤1中的参考点与所述步骤2中的参考点为同一个参考点。

3.根据权利要求1所述的二次剖切轮廓法残余应力测试方法，其特征在于，所述a设置在4mm至16mm之间。

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