專(zhuān)利名稱(chēng)：沖擊壓痕測(cè)定殘余應(yīng)力方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及殘余應(yīng)力的測(cè)定方法，特別是用沖擊壓痕測(cè)定殘余應(yīng)力的方法。
殘余應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)使用性能，因此殘余應(yīng)力測(cè)試是工程和科研工作中所需的重要測(cè)試技術(shù)，當(dāng)前可供應(yīng)用的殘余應(yīng)力測(cè)定方法按其實(shí)質(zhì)有兩大類(lèi)別。第一類(lèi)殘余應(yīng)力測(cè)定方法為應(yīng)力釋放法，即利用切割使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力釋放，根據(jù)切割方式和相應(yīng)的釋放應(yīng)變數(shù)量計(jì)算殘余應(yīng)力。在工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定中，損傷被測(cè)工件程度相對(duì)較小的鉆孔法得到較多的應(yīng)用。但是，很顯然應(yīng)力釋放法必然不同程度地?fù)p傷被測(cè)工件。另一類(lèi)為物性法，即利用材料在應(yīng)力作用下物理性能發(fā)生變化的原理測(cè)定殘余應(yīng)力。例如X射線(xiàn)法根據(jù)應(yīng)力作用下晶體晶格常數(shù)的變化測(cè)定殘余應(yīng)力，超聲波根據(jù)應(yīng)力引起材料聲速變化測(cè)定殘余應(yīng)力，壓磁法根據(jù)應(yīng)力誘導(dǎo)材料磁性的變化測(cè)定殘余應(yīng)力等。物性法測(cè)定殘余應(yīng)力一般稱(chēng)為無(wú)損殘余應(yīng)力測(cè)定法，因?yàn)樵跍y(cè)定過(guò)程中不需損傷被測(cè)工件(除待測(cè)表面制備外)。但是由于測(cè)示技術(shù)復(fù)雜，易受外界條件干擾，因此工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有較大困難。壓痕法按其實(shí)質(zhì)與上述兩種方法不同，它和應(yīng)力釋放法相反，屬于應(yīng)力疊加法。參考文獻(xiàn)1及其相同類(lèi)別的文獻(xiàn)均是比較不同應(yīng)力狀態(tài)下，相同靜載作用產(chǎn)生的壓痕的形狀或其周?chē)灰茍?chǎng)的變化以求確定殘余應(yīng)力，采用3.2毫米碳化鎢球以250磅的靜載壓力制造球形壓痕，用光干涉法攝取壓痕周?chē)灰乒飧缮鎴D。在無(wú)應(yīng)力的情況壓痕造成的光干涉條紋是對(duì)稱(chēng)的園形，在單軸應(yīng)力作用下干涉條紋變成橢園形，條紋密度也隨之變化，橢園的長(zhǎng)短軸對(duì)應(yīng)主應(yīng)力方向，通過(guò)比較干涉條紋密度確定殘余應(yīng)力數(shù)值，該文獻(xiàn)的結(jié)論認(rèn)為這個(gè)方法可以用來(lái)測(cè)定單軸拉應(yīng)力，但對(duì)于壓應(yīng)力和接近雙軸等值拉應(yīng)力時(shí)此方法不太靈敏，另外文獻(xiàn)1所用的方法還存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)，(1)和本發(fā)明以外的所有壓痕法一樣都是采用靜力加載，因此不便于工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用;(2)采用光干涉法，測(cè)示技術(shù)復(fù)雜，同樣不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求;(3)采用比較相同載荷作用下在標(biāo)定試件上和被測(cè)試件上的干涉條紋密度確定殘余應(yīng)力數(shù)值的途徑，無(wú)法排除硬度差引起的測(cè)量誤差。這些問(wèn)題使其至今未成為可供實(shí)用的殘余應(yīng)力測(cè)定方法。
本發(fā)明的目的在于提供一種殘余應(yīng)力的測(cè)量方法，使得被測(cè)工件基本不受損傷，且測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)單，適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用沖擊載荷制造球冠形壓痕替代小孔法測(cè)殘余應(yīng)力中的鉆孔時(shí)，存在下述現(xiàn)象，球冠直徑d及由其應(yīng)變花各應(yīng)片產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽俊鳓?、△ε2、△ε3，與初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)?、ε2和ε3之間遵循以下兩個(gè)基本規(guī)律1、在相同的壓痕直徑d條件下，應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)隽俊鳓耪扔趹?yīng)變片方向的初始?xì)堄鄰椥詰?yīng)變△ε＝A+Bε(1)2、在相同的初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)诺臈l件下，應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)隽俊鳓耪扔趬汉壑睆絛
△ε＝C+Dd(2)本發(fā)明所提供的測(cè)試殘余應(yīng)力的方法就是基于上述原理設(shè)計(jì)的，本發(fā)明之主要內(nèi)容是包括下述步驟-在欲測(cè)殘余應(yīng)力部位貼應(yīng)變花，各應(yīng)變片距焦點(diǎn)等距;
-由壓痕直徑及其產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算得到初始?xì)堄鄳?yīng)變，按彈性力學(xué)方法計(jì)算主應(yīng)力方向α和主應(yīng)力σ，其特征在于貼好應(yīng)變花后，在焦點(diǎn)處用沖擊載荷制造球冠形壓痕，測(cè)定球冠壓痕直徑d及由其使應(yīng)變花各應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽俊鳓藕蚫，通過(guò)下述兩式計(jì)算各應(yīng)變片方向的初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)畔嗤瑝汉壑睆絛下△ε＝A+Bε(1)相同初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)畔隆鳓牛紺+Dd(2)其中A、B、C、D由標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)定。如果殘余應(yīng)力的主應(yīng)力方向已知，則可沿主應(yīng)力方向貼雙向應(yīng)變花，通過(guò)測(cè)取壓痕直徑d和兩應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)隽俊鳓?和△ε2，由式(1)(2)計(jì)算ε1和ε2，再按彈性力學(xué)計(jì)算主應(yīng)力σ1和σ2，下面結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例詳細(xì)敘述本發(fā)明。
附

圖1為應(yīng)變花和壓痕d的配置示意圖;
附圖2為16Mn鋼的壓痕尺寸及其應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)圖;
附圖3為16Mn鋼的壓痕應(yīng)變?cè)隽亢蜌堄鄰椥詰?yīng)變相關(guān)圖;
附圖4為塑性修正示意圖;
附圖5為22mm，厚16Mn鋼對(duì)接試板焊接殘余應(yīng)力分布圖;
附圖6為28mm厚16Mn鋼對(duì)接頭焊接殘余應(yīng)力分布圖。
實(shí)施例1、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)材料為16Mn鋼，試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲及單軸拉伸兩種方式加載在試件表面獲得已知數(shù)值的單軸拉伸和壓縮應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果證明，兩種加載方式對(duì)本發(fā)明所提供的測(cè)定方式是等效的。
為得到對(duì)稱(chēng)的附加應(yīng)力場(chǎng)，采用直徑3mm的軸承鋼球制造壓痕，首先將鋼球的1/2壓入支承焊的端部，將帶有鋼球的一端垂直置放欲制壓痕的位置，以落錘垂直沖擊支承桿的另一端部，通過(guò)調(diào)整落錘動(dòng)量以得到不同尺寸壓痕。
壓痕造成的疊加應(yīng)變?cè)隽坑肂E120-3BA應(yīng)變花測(cè)量，應(yīng)變花及壓痕幾何配置示于圖1。壓痕相對(duì)應(yīng)變花的幾何位置采用與鉆孔法測(cè)殘余應(yīng)力相同的裝置保證。
不同表面狀態(tài)和外加應(yīng)力狀態(tài)下，由不同數(shù)值沖擊功產(chǎn)生和疊加應(yīng)變?cè)隽俊鳓诺南嚓P(guān)性示于圖2。圖中疊加變?cè)隽俊鳓?，△ε1000等的下標(biāo)(0、1000等)，表示外加彈性應(yīng)變數(shù)值，△ε0表示由砂輪打磨并拋光的無(wú)應(yīng)力表面的壓痕應(yīng)變?cè)隽俊鳓牛?400l6Mn鋼拉伸應(yīng)變?yōu)?500με時(shí)的橫向(此方向的彈性應(yīng)變量-400με)壓痕疊加應(yīng)變?cè)隽?。由于所用?yīng)變片的橫向效應(yīng)，由應(yīng)變片測(cè)出的試驗(yàn)材料的泊松系數(shù)(γ)為0.27，同此本實(shí)施例中全部計(jì)算所用γ均取值0.27。由圖2可見(jiàn)所有狀態(tài)下，給定范圍的壓痕直徑(d)和其引起的疊加應(yīng)變?cè)隽烤示€(xiàn)性狀態(tài)。它們的線(xiàn)性方程列于表1。通過(guò)測(cè)取壓痕直徑d和由其在兩個(gè)主應(yīng)力方向產(chǎn)生的壓痕應(yīng)變?cè)隽俊鳓?和△ε2，利用表1所列諸式，可計(jì)算16Mn鋼的殘余應(yīng)力。
表1疊加應(yīng)變?cè)隽康臍埿苑匠?br> 16Mn鋼應(yīng)變?cè)隽糠匠蘢值范圍(mm)△ε0=388-385d 1.2-1.9△ε'0=490-483d 1.2-1.9△ε1000=660-733d 1.2-1.9△ε1500=710-883d 1.2-1.9△ε-1000=11 1.2-1.9△ε-200=325-317d 1.2-1.9△ε*-400=930-608d 1.35-1.72、壓痕法測(cè)定殘余應(yīng)力的基本程序和殘余應(yīng)力的計(jì)算方法首先用磁應(yīng)力法測(cè)定出待測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力方向，然后按主應(yīng)力方向貼雙向垂直應(yīng)變花(如果所測(cè)區(qū)域的拉應(yīng)力不超過(guò)1/2屈服點(diǎn)，也可按需要實(shí)測(cè)應(yīng)力方向貼雙向垂直應(yīng)變花)。用錘擊壓頭，在規(guī)定位置制造壓痕，測(cè)取壓痕前后應(yīng)變花的兩個(gè)相互垂直方向上的應(yīng)變?cè)隽俊鳓?和△ε2以及壓痕直徑d。用d、△ε1和△ε2按下面的兩個(gè)方法之一計(jì)算殘余應(yīng)力2.1圖解計(jì)算法按表1給出方程做圖3。圖中虛線(xiàn)為用砂輪打磨拋光表面，實(shí)線(xiàn)為退火表面或砂輪打磨拋光后再用電解拋光去掉加工硬化層的表面狀態(tài)。
根據(jù)測(cè)量得出的d，△ε1和△ε2由圖3查出相應(yīng)的εe1和εe2，按下式計(jì)算主應(yīng)力
如果由△ε1、△ε2和d圖解出的εe1和εe2，其中較大的εe1大于1000με，則需對(duì)ε2進(jìn)行修正。以d＝1.45mm為例，修正方法示于圖4，按下列三步進(jìn)行A、由△ε1圖解得到εe1;
B、按-γεe1圖解得出△ε2p;
C、按△ε2-△ε2p(而不是按△ε2)圖解得εe2然后按式(5)計(jì)算σ1和σ2。
2.2計(jì)算法A、根據(jù)測(cè)出的壓痕直徑d，按表1公式計(jì)算△ε0(或△ε0)、△ε1000、△ε1500、△ε-200、△ε＊-400B、按下式計(jì)算主應(yīng)變?chǔ)纽?i=1000 ( △ εi- △ εo)△ ε1000- △ εo,, △ ε1000〈△ εi〈 △ εo( 4 )i = 1,2]]>εθ i= 1000 +( △ εi- △ ε1000)500△ ε1500- △ ε1000△ εi〈△ ε1000( 5 )i = 1,2]]>εθ i=1000 ( △ εo- △ εi)△ ε- 1000- △ εo△ εi〉 △ εo( 6 )i = 1,2]]>
C、將由式4或5或6計(jì)算出的εe1和εe2代入式3計(jì)算應(yīng)力σ1和σ2。
D、如果計(jì)算得出的較大的εe1大于1000με，則εe2需按下式進(jìn)行修正計(jì)算ϵθ2=1000(Δϵ2θq-Δϵo)Δϵ1000-Δϵo.,Δϵ1000<Δϵ2θq<Δϵo(7)]]>ϵθ2=1000+500(Δϵ2θq-Δϵ1000)Δϵ1500-Δϵ1000Δϵ2θq<Δϵ1000(8)i=1,2]]>εθ 2=1000 ( △ εo- △ ε2 θ q)△ ε- 1000- △ εo△ ε2 θ q〉 △ εo( 9 )]]>其中等效2向壓痕應(yīng)變?cè)隽俊鳓?eg為△ε2eg＝△ε2-△ε2p(10)式(10)中的塑性修正2向壓痕應(yīng)變?cè)隽俊鳓?P為△ε2P＝△ε＊-γel-△ε-γe2其中
E、將由式(4)或(5)或(6)計(jì)算的εe1和由式(7)或(8)或(9)計(jì)算的△εe2代入式(3)計(jì)算主應(yīng)力σ1和σ2。
3、焊接試板殘余應(yīng)力測(cè)試350×450×28毫米和535×500×22毫米的兩塊對(duì)接焊接試板，其母材為16MnR，焊條為結(jié)507。試板焊接前經(jīng)650℃×1hr退火。焊后在試板中部垂直焊縫的方向上用壓痕法測(cè)試焊接殘余應(yīng)力分布，采用砂輪打磨和砂布輪拋光方法制備待測(cè)表面。由于焊縫及其近區(qū)高殘余拉應(yīng)力區(qū)的主應(yīng)力方向與焊接方向基本一致，因此壓痕法的貼片方向采取和焊縫方向相同(另一向垂直焊縫)，直接測(cè)取焊接縱向(σx)橫向(σy)殘余應(yīng)力。壓痕法測(cè)試殘余應(yīng)力完成后，在350×450×28mm的對(duì)接試板上，在距壓痕法測(cè)殘余應(yīng)力的斷面30mm的斷面位置上用全釋放法測(cè)試殘余應(yīng)力，以資比較。測(cè)試結(jié)果示于圖5和6。顯然，在兩種不同厚度對(duì)接焊接試板上用壓痕法測(cè)得的殘余應(yīng)力分布符合一般焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并且與全釋放法有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
總之，本發(fā)明具有被測(cè)工件基本不受損，測(cè)試方法與小孔法相似，非常簡(jiǎn)單，且由于使用沖擊載荷，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
參考文獻(xiàn)1.JohnHUvderwood，Resldual-StressMeasurementUslngSurfaceDispacementsAroundanIndentatlon，ExperlmentalMechanlcs，373-380，Sep.1973.
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定殘余應(yīng)力的方法，包括下述步驟-在欲測(cè)殘余應(yīng)力部位貼應(yīng)變花，各應(yīng)變片距焦點(diǎn)等距；-由壓痕直徑及其產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算得到初始?xì)堄鄳?yīng)變，按彈性力學(xué)方法計(jì)算主應(yīng)力方向2和主應(yīng)力σ，其特征在于貼好應(yīng)變花后，在焦點(diǎn)處用沖擊載荷制造球冠形壓痕，測(cè)定球冠壓痕直徑d及由其使應(yīng)變花各應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽喀う藕蚫，通過(guò)下述兩式計(jì)算各應(yīng)變片方向的初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)纽う?A+Bε (1)Δε=C+Dd (2)其中A、B、C、D由標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)定。
2.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于依據(jù)(1)(2)兩式規(guī)律，可以由圖解法或計(jì)算法確定初始?xì)堄鄳?yīng)變，再按彈性力示計(jì)算主應(yīng)力及其方向。
3.按權(quán)利要求1、2所述方法，其特征在于如果殘余應(yīng)力的主應(yīng)力方向已知，則可沿主應(yīng)力方向貼雙向應(yīng)變花，通過(guò)測(cè)取壓痕直徑d和兩應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)隽俊鳓?和△ε2，由式(1)(2)計(jì)算ε1和ε2，再按彈性力學(xué)計(jì)算主應(yīng)力σ1和σ2。
全文摘要
本發(fā)明涉及殘余應(yīng)力的測(cè)定方法，其特征在于用沖擊載荷制造壓痕，由壓痕d，應(yīng)變片應(yīng)變?cè)隽颗c初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)胖g的關(guān)系(1)相同壓痕直徑d下Δε＝A+Bε；(2)相同初始?xì)堄鄳?yīng)變?chǔ)畔娄う牛紺+Dd；計(jì)算出ε從而計(jì)算出主應(yīng)力(σ
文檔編號(hào)G01L1/06GK1091825SQ9311013
公開(kāi)日1994年9月7日 申請(qǐng)日期1993年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月3日
發(fā)明者陳亮山, 董彥中, 潘興, 陳懷中, 祝時(shí)昌, 王嚴(yán)官 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所