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一種殘余應(yīng)力測量方法

文檔序號:6104092閱讀:393來源:國知局
專利名稱:一種殘余應(yīng)力測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及殘余應(yīng)力測量技術(shù),具體地說是一種殘余應(yīng)力測量方法。
焊接殘余應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用性能,它能促使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,降低疲勞性能和脆斷抗力,降低結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性等,因此殘余應(yīng)力測試是工程和科研工作中急需的重要測試技術(shù)。
從工程使用角度,一種好的殘余應(yīng)力測定方法應(yīng)該具有以下特點(diǎn)無損或基本無損;精度較高,可以滿足測量要求;適用范圍廣,應(yīng)適用于各種材料和不同結(jié)構(gòu)形狀;便攜性,易于現(xiàn)場使用;易操作性,對操作人員的技術(shù)要求不苛刻。目前被大家普遍認(rèn)可且可供實(shí)驗室和現(xiàn)場應(yīng)用的殘余應(yīng)力測定方法主要有3種全釋放法、X射線法、盲孔法。可分為兩類,其中X射線法屬于物性法范疇,是利用材料在應(yīng)力作用下物性(晶格常數(shù))發(fā)生變化的原理測定殘余應(yīng)力,這類方法的優(yōu)點(diǎn)是在測定過程中不損壞被測工件,屬無損殘余應(yīng)力檢測;缺點(diǎn)是對材料特性和樣品的表面狀態(tài)依賴性很大,因而在實(shí)際檢測中較難把握,精度也難以保證,因而在焊接結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)場使用較少(X射線設(shè)備的便攜性不夠,測量數(shù)值偏低)。全釋放法和盲孔法屬于應(yīng)力釋放法范疇,全釋放法是一種破壞性的方法,靠應(yīng)力的全部釋放獲得很高的測量精度;盲孔法是利用鉆一小盲孔使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力釋放,由于采用應(yīng)變片作為測量敏感元件,具有很高的測量精度,設(shè)備也便于攜帶,但卻在一定程度上損傷被測件。理論上,還應(yīng)存在第三類測量方法—應(yīng)力疊加法。其中最典型的方法是壓痕法。最初的壓痕法是基于應(yīng)力誘導(dǎo)材料硬度的變化而提出的,50年代以后,國際上開始研究載荷和壓痕深度以及形狀的關(guān)系,如Underwood等人研究了載荷與壓痕外的塑性形變區(qū)的關(guān)系,以求得殘余應(yīng)力的大小。文獻(xiàn)1約翰·何·安德伍德,用壓痕法測量剩余應(yīng)力,《實(shí)驗力學(xué)》373-380,1973年9月(John H.Underwood,Residual-stress measurement using surface displacements around anindentation,Experimental Mechanics,373-380,Sept.1973)為利用壓痕大小和應(yīng)變變化測量殘余應(yīng)力研究的最早論文,但其測量原理是通過測定壓痕形成的塑性和彈塑性區(qū)的光彈片的光學(xué)信號的變化來獲取殘余應(yīng)變的信息,由于不是采用精密的應(yīng)變片測量塑性區(qū)以外的彈性區(qū)的應(yīng)變變化量,故測量的精度難以保證,也沒有十分明確的線性規(guī)律可以采用;此外,采用靜力加載辦法形成壓痕,不便于工程現(xiàn)場應(yīng)用。故至今在工程上沒有發(fā)現(xiàn)任何應(yīng)用例子的報道。另外,文獻(xiàn)2辛斯,吉.和卡爾遜,羅.,通過硬度變化測量剩余應(yīng)力,《美國實(shí)驗和材料學(xué)會公報》,35-37,1952年2月(Sines,G.and Carlson,R.,Hardnessmeasurement for determination of residual stress,ASTM Bulletin 35-37,F(xiàn)eb.1952)公開了一種利用測量材料的硬度變化間接測量殘余應(yīng)力的方法,測量精度很低(屬于定性測量方法),至今沒有工程應(yīng)用實(shí)例。
為了克服上述不足,本發(fā)明的目的是提供一種測量精度高、不損傷被測件、操作方便的殘余應(yīng)力測量方法,尤其適用于焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力測量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是以沖擊加載代替靜力加載,在物件表面形成壓痕,選擇壓痕區(qū)外的彈性區(qū)作為測定部位,根據(jù)疊加的應(yīng)力場引起的應(yīng)變增量計算原始?xì)堄鄳?yīng)力;具體操作如下1)選取雙向應(yīng)變花,在含有殘余應(yīng)力的構(gòu)件表面貼上所述雙向應(yīng)變花,粘貼時應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向一致;2)在應(yīng)變片的交點(diǎn)中心處制作壓痕,壓痕直徑在1.3±0.2毫米,以確保應(yīng)變片處于壓痕彈性區(qū)并有足夠的測量精度;3)通過應(yīng)變儀記錄輸出應(yīng)變值;4)采用光學(xué)設(shè)備讀出壓痕直徑大?。?)參照壓痕標(biāo)定直線得出原始彈性應(yīng)變值εe(εx、εy);6)按胡克定律計算出沿應(yīng)變片方向原始?xì)堄鄳?yīng)力,其公式為 本發(fā)明所述雙向應(yīng)變花為能滿足壓痕外彈性區(qū)測量要求并有足夠測量精度的BE120-2CA-B型雙向應(yīng)變花;本發(fā)明所述壓痕標(biāo)定直線為根據(jù)不同構(gòu)件材料在任意2~3種應(yīng)力條件下,通過打擊一系列直徑不同的壓痕后獲得壓痕d-應(yīng)變增量Δε-外加應(yīng)變(等同于殘余應(yīng)力)的線性關(guān)系很好的標(biāo)定直線;采用本發(fā)明當(dāng)殘余應(yīng)力幅值小于0.5倍材料屈服點(diǎn)時,雙向應(yīng)變片的應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向不要求一定一致。
本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明以沖擊加載代替靜力加載形成壓痕,拋開了難以解決的壓痕塑性形變問題,選擇了壓痕區(qū)外的彈性區(qū)作為研究重點(diǎn)。根據(jù)其原理相同尺寸的球形壓痕在殘余應(yīng)力場的主應(yīng)力方向上產(chǎn)生的應(yīng)變增量與真實(shí)的彈性主應(yīng)變成正比;在相同的殘余應(yīng)力場中,在主應(yīng)力方向形成的球形壓痕直徑與其在距壓痕中心固定距離位置上產(chǎn)生的應(yīng)變增量成正比(當(dāng)殘余應(yīng)力低于0.5倍的材料屈服點(diǎn)時,在非主應(yīng)力方向也有此規(guī)律),通過對被測材料的簡單標(biāo)定,疊加一個附加應(yīng)力場,根據(jù)所述疊加應(yīng)力場引起的應(yīng)變增量計算原始?xì)堄鄳?yīng)力。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的受材料物性和表面特征影響、難以測準(zhǔn)、設(shè)備昂貴、難以操作,或由于表面有破壞,工程上受到一定限制的殘余應(yīng)力測量方法相比,本發(fā)明具有物性法和應(yīng)力釋放法的長處,即1)操作方便,由于本發(fā)明采用了線性關(guān)系很好的標(biāo)定直線,對操作人員的實(shí)驗標(biāo)定和應(yīng)力計算要求不苛刻。2)測量精度較高,由于本發(fā)明采用BE120-2CA-B型雙向應(yīng)變花,確保了應(yīng)變片處于壓痕彈性區(qū),所以正常情況下測量精度可達(dá)到±20MPa以內(nèi)。3)表面無破壞。本發(fā)明以沖擊加載代替了靜力加載形成壓痕,選擇了壓痕區(qū)外的彈性區(qū)作為測量區(qū)域,徹底解決了壓痕塑性變形問題。從工程應(yīng)用結(jié)果看,被測件表面無明顯損傷,其壓痕直徑最大<1.5mm,深度<0.3mm,屬于無損應(yīng)力檢測方法。4)本發(fā)明特別適合于焊接結(jié)構(gòu)工程中各種材料和不同結(jié)構(gòu)形狀殘余應(yīng)力的測定,且便于工程現(xiàn)場應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1沖擊壓痕測量殘余應(yīng)力操作示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2壓痕法應(yīng)力測定用標(biāo)定直線。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1本發(fā)明以沖擊加載代替靜力加載,在物件表面形成壓痕,選擇壓痕區(qū)外的彈性區(qū)數(shù)據(jù)作為依據(jù),根據(jù)疊加的應(yīng)力場引起的應(yīng)變增量計算原始?xì)堄鄳?yīng)力;具體操作如下1)如圖1所示,采用本發(fā)明對含有殘余應(yīng)力的構(gòu)件-原油開孔壁板進(jìn)行了角焊縫熱處理前后的殘余應(yīng)力測定,板厚為30mm,材料為16Mn鋼。測定過程中采用的應(yīng)變儀為市售的YJ-26性靜態(tài)電阻應(yīng)變儀,應(yīng)變花為漢中生產(chǎn)的BE120-2CA-B型雙向應(yīng)變花,在其表面貼上雙向應(yīng)變片時,應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向基本一致;2)在應(yīng)變片交點(diǎn)中心打擊壓痕,以確保應(yīng)變片處于壓痕彈性區(qū)并有足夠的測量精度,壓痕直徑1.4mm,孔深0.3mm,共得測點(diǎn)數(shù)據(jù)約80個;3)通過應(yīng)變儀記錄輸出應(yīng)變值;4)采用顯微鏡光學(xué)設(shè)備讀出壓痕直徑大??;5)所述壓痕標(biāo)定直線為根據(jù)所述構(gòu)件材料在零應(yīng)力、正應(yīng)力、負(fù)應(yīng)力三種應(yīng)力條件下,通過打擊一系列直徑不同的壓痕后獲得壓痕d-應(yīng)變增量Δε-外加應(yīng)變(等同于殘余應(yīng)力)的線性關(guān)系很好的標(biāo)定直線;參照所述壓痕標(biāo)定直線,查出原始的彈性應(yīng)變值εe(εx、εy);6)按胡克定律計算出沿應(yīng)變片方向原始?xì)堄鄳?yīng)力,其公式為 其結(jié)果為所測熱處理前后的數(shù)值完全符合一般的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于采用本發(fā)明測定某工程含有殘余應(yīng)力的構(gòu)件-壓力鋼管消除焊接殘余應(yīng)力前后的應(yīng)力大小,所測材料為日本NKK-HITEN 610U2調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼,板厚60mm。在應(yīng)變片交點(diǎn)中心打擊壓痕,壓痕直徑1.3mm,孔深0.25mm。得測點(diǎn)數(shù)據(jù)60個;壓痕法應(yīng)力測定用標(biāo)定直線如圖2所示,查出原始的彈性應(yīng)變值εe,再算出沿應(yīng)變片方向的原始?xì)堄鄳?yīng)力。實(shí)測結(jié)果表明,應(yīng)力數(shù)值與現(xiàn)場采用的盲孔法完全一致,從而證明了本發(fā)明方法的實(shí)用性和精度。
相關(guān)比較例以目前工程上較為通用的焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測量方法即盲孔法為例,該方法要在構(gòu)件表面鉆一個直徑1.5mm、孔深2.0mm的小孔。由于具有一定的破壞性,在一定程度上限制了該方法的大量應(yīng)用。而X-射線法由于設(shè)備昂貴,操作不便,加上焊縫區(qū)的柱狀晶結(jié)構(gòu)和材料的結(jié)構(gòu)取向使應(yīng)力測量變得不準(zhǔn),從而限制了該方法的工程應(yīng)用。
本發(fā)明當(dāng)殘余應(yīng)力幅值小于0.5倍材料屈服點(diǎn)時,雙向應(yīng)變片的應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向不要求一定一致。
權(quán)利要求
1.一種殘余應(yīng)力測量方法,其特征在于以沖擊加載代替靜力加載,在物件表面形成壓痕,選擇壓痕區(qū)外的彈性區(qū)作為測定部位,根據(jù)疊加的應(yīng)力場引起的應(yīng)變增量計算原始?xì)堄鄳?yīng)力;具體操作如下1)選取雙向應(yīng)變花,在含有殘余應(yīng)力的構(gòu)件表面貼上所述雙向應(yīng)變花,粘貼時應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向一致;2)在應(yīng)變片的交點(diǎn)中心處制作壓痕,壓痕直徑在1.3±0.2毫米,以確保應(yīng)變片處于壓痕彈性區(qū)并有足夠的測量精度;3)通過應(yīng)變儀記錄輸出應(yīng)變值;4)采用光學(xué)設(shè)備讀出壓痕直徑大?。?)參照壓痕標(biāo)定直線得出原始彈性應(yīng)變值εe(εx、εy);6)按胡克定律計算出沿應(yīng)變片方向原始?xì)堄鄳?yīng)力,其公式為
2.按照權(quán)利要求1所述測量方法,其特征在于所述雙向應(yīng)變花為能滿足壓痕外彈性區(qū)測量要求并有足夠測量精度的BE120-2CA-B型雙向應(yīng)變花。
3.按照權(quán)利要求1所述測量方法,其特征在于所述壓痕標(biāo)定計算直線為根據(jù)不同構(gòu)件材料在任意2~3種應(yīng)力條件下,通過打擊一系列直徑不同的壓痕后獲得壓痕d-應(yīng)變增量Δε-外加應(yīng)變的線性關(guān)系很好的標(biāo)定直線。
4.按照權(quán)利要求1所述測量方法,其特征在于當(dāng)殘余應(yīng)力幅值小于0.5倍材料屈服點(diǎn)時,雙向應(yīng)變片的應(yīng)變柵的方向與主應(yīng)力方向不要求一定一致。
全文摘要
一種殘余應(yīng)力測量方法,以沖擊加載方式在物件表面形成壓痕,選擇壓痕區(qū)外彈性區(qū)作為測定部位,據(jù)疊加應(yīng)力場引起的應(yīng)變增量計算原始?xì)堄鄳?yīng)力;步驟:選取雙向應(yīng)變花,在含有殘余應(yīng)力的構(gòu)件表面貼上所述雙向應(yīng)變花,粘貼時應(yīng)變柵與主應(yīng)力的方向一致;在應(yīng)變片交點(diǎn)中心處制作壓痕,壓痕直徑在1.3±0.2毫米,以確保應(yīng)變片處于壓痕彈性區(qū)并有足夠的測量精度;通過應(yīng)變片測量輸出應(yīng)變值;讀出壓痕直徑;參照壓痕標(biāo)定直線,得出原始彈性應(yīng)變值ε
文檔編號G01N3/48GK1375689SQ0110631
公開日2002年10月23日 申請日期2001年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者陳亮山, 陳懷寧, 林泉洪, 陳靜, 董秀中, 黃春玲 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所
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