CN1375689A - 一种残余应力测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种残余应力测量方法,以冲击加载方式在物件表面形成压痕,选择压痕区外弹性区作为测定部位,据叠加应力场引起的应变增量计算原始残余应力;步骤:选取双向应变花,在含有残余应力的构件表面贴上所述双向应变花,粘贴时应变栅与主应力的方向一致;在应变片交点中心处制作压痕,压痕直径在1.3±0.2毫米,以确保应变片处于压痕弹性区并有足够的测量精度;通过应变片测量输出应变值;读出压痕直径;参照压痕标定直线,得出原始弹性应变值εe;按胡克定律计算出沿应变片方向的原始残余应力。它测量精度高、不损伤被测件、操作方便。
Description
本发明涉及残余应力测量技术，具体地说是一种残余应力测量方法。
焊接残余应力直接影响结构的安全使用性能，它能促使材料产生应力腐蚀开裂，降低疲劳性能和脆断抗力，降低结构尺寸稳定性等，因此残余应力测试是工程和科研工作中急需的重要测试技术。
从工程使用角度，一种好的残余应力测定方法应该具有以下特点：无损或基本无损；精度较高，可以满足测量要求；适用范围广，应适用于各种材料和不同结构形状；便携性，易于现场使用；易操作性，对操作人员的技术要求不苛刻。目前被大家普遍认可且可供实验室和现场应用的残余应力测定方法主要有3种：全释放法、X射线法、盲孔法。可分为两类，其中：X射线法属于物性法范畴，是利用材料在应力作用下物性(晶格常数)发生变化的原理测定残余应力，这类方法的优点是在测定过程中不损坏被测工件，属无损残余应力检测；缺点是对材料特性和样品的表面状态依赖性很大，因而在实际检测中较难把握，精度也难以保证，因而在焊接结构使用现场使用较少(X射线设备的便携性不够，测量数值偏低)。全释放法和盲孔法属于应力释放法范畴，全释放法是一种破坏性的方法，靠应力的全部释放获得很高的测量精度；盲孔法是利用钻一小盲孔使构件中的残余应力释放，由于采用应变片作为测量敏感元件，具有很高的测量精度，设备也便于携带，但却在一定程度上损伤被测件。理论上，还应存在第三类测量方法—应力叠加法。其中最典型的方法是压痕法。最初的压痕法是基于应力诱导材料硬度的变化而提出的，50年代以后，国际上开始研究载荷和压痕深度以及形状的关系，如Underwood等人研究了载荷与压痕外的塑性形变区的关系，以求得残余应力的大小。文献1：约翰·何·安德伍德，用压痕法测量剩余应力，《实验力学》373-380，1973年9月(John H.Underwood，Residual-stress measurement using surface displacements around anindentation，Experimental Mechanics，373-380，Sept.1973)为利用压痕大小和应变变化测量残余应力研究的最早论文，但其测量原理是通过测定压痕形成的塑性和弹塑性区的光弹片的光学信号的变化来获取残余应变的信息，由于不是采用精密的应变片测量塑性区以外的弹性区的应变变化量，故测量的精度难以保证，也没有十分明确的线性规律可以采用；此外，采用静力加载办法形成压痕，不便于工程现场应用。故至今在工程上没有发现任何应用例子的报道。另外，文献2：辛斯，吉.和卡尔逊，罗.，通过硬度变化测量剩余应力，《美国实验和材料学会公报》，35-37，1952年2月(Sines，G.and Carlson，R.，Hardnessmeasurement for determination of residual stress，ASTM Bulletin 35-37，Feb.1952)公开了一种利用测量材料的硬度变化间接测量残余应力的方法，测量精度很低(属于定性测量方法)，至今没有工程应用实例。
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种测量精度高、不损伤被测件、操作方便的残余应力测量方法，尤其适用于焊接结构的残余应力测量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：以冲击加载代替静力加载，在物件表面形成压痕，选择压痕区外的弹性区作为测定部位，根据叠加的应力场引起的应变增量计算原始残余应力；具体操作如下：1)选取双向应变花，在含有残余应力的构件表面贴上所述双向应变花，粘贴时应变栅的方向与主应力方向一致；2)在应变片的交点中心处制作压痕，压痕直径在1.3±0.2毫米，以确保应变片处于压痕弹性区并有足够的测量精度；3)通过应变仪记录输出应变值；4)采用光学设备读出压痕直径大小；5)参照压痕标定直线得出原始弹性应变值εe(εx、εy)；6)按胡克定律计算出沿应变片方向原始残余应力，其公式为：
本发明所述双向应变花为能满足压痕外弹性区测量要求并有足够测量精度的BE120-2CA-B型双向应变花；
本发明所述压痕标定直线为根据不同构件材料在任意2～3种应力条件下，通过打击一系列直径不同的压痕后获得压痕d-应变增量Δε-外加应变(等同于残余应力)的线性关系很好的标定直线；
采用本发明当残余应力幅值小于0.5倍材料屈服点时，双向应变片的应变栅的方向与主应力方向不要求一定一致。
本发明的工作原理是：
本发明以冲击加载代替静力加载形成压痕，抛开了难以解决的压痕塑性形变问题，选择了压痕区外的弹性区作为研究重点。根据其原理：相同尺寸的球形压痕在残余应力场的主应力方向上产生的应变增量与真实的弹性主应变成正比；在相同的残余应力场中，在主应力方向形成的球形压痕直径与其在距压痕中心固定距离位置上产生的应变增量成正比(当残余应力低于0.5倍的材料屈服点时，在非主应力方向也有此规律)，通过对被测材料的简单标定，叠加一个附加应力场，根据所述叠加应力场引起的应变增量计算原始残余应力。
本发明具有如下优点：
与传统的受材料物性和表面特征影响、难以测准、设备昂贵、难以操作，或由于表面有破坏，工程上受到一定限制的残余应力测量方法相比，本发明具有物性法和应力释放法的长处，即：1)操作方便，由于本发明采用了线性关系很好的标定直线，对操作人员的实验标定和应力计算要求不苛刻。2)测量精度较高，由于本发明采用BE120-2CA-B型双向应变花，确保了应变片处于压痕弹性区，所以正常情况下测量精度可达到±20MPa以内。3)表面无破坏。本发明以冲击加载代替了静力加载形成压痕，选择了压痕区外的弹性区作为测量区域，彻底解决了压痕塑性变形问题。从工程应用结果看，被测件表面无明显损伤，其压痕直径最大＜1.5mm，深度＜0.3mm，属于无损应力检测方法。4)本发明特别适合于焊接结构工程中各种材料和不同结构形状残余应力的测定，且便于工程现场应用。
图1为本发明实施例1冲击压痕测量残余应力操作示意图。
图2为本发明实施例2压痕法应力测定用标定直线。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明以冲击加载代替静力加载，在物件表面形成压痕，选择压痕区外的弹性区数据作为依据，根据叠加的应力场引起的应变增量计算原始残余应力；具体操作如下：1)如图1所示，采用本发明对含有残余应力的构件-原油开孔壁板进行了角焊缝热处理前后的残余应力测定，板厚为30mm，材料为16Mn钢。测定过程中采用的应变仪为市售的YJ-26性静态电阻应变仪，应变花为汉中生产的BE120-2CA-B型双向应变花，在其表面贴上双向应变片时，应变栅的方向与主应力方向基本一致；2)在应变片交点中心打击压痕，以确保应变片处于压痕弹性区并有足够的测量精度，压痕直径1.4mm，孔深0.3mm，共得测点数据约80个；3)通过应变仪记录输出应变值；4)采用显微镜光学设备读出压痕直径大小；5)所述压痕标定直线为根据所述构件材料在零应力、正应力、负应力三种应力条件下，通过打击一系列直径不同的压痕后获得压痕d-应变增量Δε-外加应变(等同于残余应力)的线性关系很好的标定直线；参照所述压痕标定直线，查出原始的弹性应变值εe(εx、εy)；6)按胡克定律计算出沿应变片方向原始残余应力，其公式为：
其结果为：所测热处理前后的数值完全符合一般的残余应力分布规律。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
采用本发明测定某工程含有残余应力的构件-压力钢管消除焊接残余应力前后的应力大小，所测材料为日本NKK-HITEN 610U2调质高强钢，板厚60mm。在应变片交点中心打击压痕，压痕直径1.3mm，孔深0.25mm。得测点数据60个；压痕法应力测定用标定直线如图2所示，查出原始的弹性应变值εe，再算出沿应变片方向的原始残余应力。实测结果表明，应力数值与现场采用的盲孔法完全一致，从而证明了本发明方法的实用性和精度。
相关比较例
以目前工程上较为通用的焊接结构残余应力测量方法即盲孔法为例，该方法要在构件表面钻一个直径1.5mm、孔深2.0mm的小孔。由于具有一定的破坏性，在一定程度上限制了该方法的大量应用。而X-射线法由于设备昂贵，操作不便，加上焊缝区的柱状晶结构和材料的结构取向使应力测量变得不准，从而限制了该方法的工程应用。
本发明当残余应力幅值小于0.5倍材料屈服点时，双向应变片的应变栅的方向与主应力方向不要求一定一致。
Claims (4)
1.一种残余应力测量方法，其特征在于：以冲击加载代替静力加载，在物件表面形成压痕，选择压痕区外的弹性区作为测定部位，根据叠加的应力场引起的应变增量计算原始残余应力；具体操作如下：1)选取双向应变花，在含有残余应力的构件表面贴上所述双向应变花，粘贴时应变栅的方向与主应力方向一致；2)在应变片的交点中心处制作压痕，压痕直径在1.3±0.2毫米，以确保应变片处于压痕弹性区并有足够的测量精度；3)通过应变仪记录输出应变值；4)采用光学设备读出压痕直径大小；5)参照压痕标定直线得出原始弹性应变值εe(εx、εy)；6)按胡克定律计算出沿应变片方向原始残余应力，其公式为：
2.按照权利要求1所述测量方法，其特征在于：所述双向应变花为能满足压痕外弹性区测量要求并有足够测量精度的BE120-2CA-B型双向应变花。
3.按照权利要求1所述测量方法，其特征在于：所述压痕标定计算直线为根据不同构件材料在任意2～3种应力条件下，通过打击一系列直径不同的压痕后获得压痕d-应变增量Δε-外加应变的线性关系很好的标定直线。
4.按照权利要求1所述测量方法，其特征在于：当残余应力幅值小于0.5倍材料屈服点时，双向应变片的应变栅的方向与主应力方向不要求一定一致。
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