一種金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料的檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種金屬材料的測(cè)量，具體來說是一種金屬材 料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測(cè)量方法。其可測(cè)量金屬材料不同部位的殘余應(yīng)力分布狀 況。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬材料在壓力加工過程中，材料變形將不可避免的會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 當(dāng)施加外力時(shí)，材料受三向應(yīng)力作用出現(xiàn)彈、塑性變形，卸載后，某些變形部分限制了其它 變形部分的彈性恢復(fù)，因而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。所以，殘余應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，是材料中發(fā)生 了不均勻的塑性變形的結(jié)果。
[0003] 材料的殘余應(yīng)力有很多的應(yīng)用，它可提高材料的強(qiáng)度和硬度，是金屬材料的重要 強(qiáng)化方法之一。然而，一些殘余應(yīng)力的存在，也影響了零件的抗疲勞強(qiáng)度、靜力強(qiáng)度及抗腐 蝕等性能，使零件在加工時(shí)產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷；另一方面又會(huì)在環(huán)境變化引起應(yīng) 力釋放過程中使零件的尺寸變化，造成使用中的變形問題。因此，殘余應(yīng)力的測(cè)量具有重要 的意義。
[0004] 目前傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，可分為機(jī)械釋放測(cè)量法和無損測(cè)量法兩種。機(jī)械 釋放測(cè)量法主要包括鉆孔法、切槽法、分割切條法等，是將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分 離或切割出來使應(yīng)力釋放，借助應(yīng)變片電測(cè)法測(cè)量其應(yīng)力在釋放前、后的應(yīng)變變化，由應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系計(jì)算求出殘余應(yīng)力，該方法測(cè)量操作較復(fù)雜，要對(duì)工件造成一定損傷及破壞，且測(cè) 量得到的往往是材料表面上的某個(gè)方向的應(yīng)力，受應(yīng)變片和粘結(jié)材料的限制，不能測(cè)量高 溫處理下的應(yīng)力；無損測(cè)量法即物理檢測(cè)法，主要有X射線法、中子衍射法、超聲波法和磁 性法等，其對(duì)被測(cè)件無破壞，但是成本較高、所需設(shè)備昂貴，且儀器操作復(fù)雜、需專門的操作 人員。此外，射線法僅能測(cè)定材料表面下約十微米范圍內(nèi)的平均二維應(yīng)力，這使其應(yīng)用受到 很大限制，如需測(cè)定材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，需要與其他剝除方法配合，逐層測(cè)定，但此操作 使該方法不再是無損的，且該法對(duì)被測(cè)物體的表面狀況有較嚴(yán)格的要求；超聲波法是利用 超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系來測(cè)量殘余應(yīng)力，目前在超聲橫波換能器，橫波耦合劑等方 面還有一些問題需要解決；磁性法是利用鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)來測(cè)定應(yīng)力，只在一定 范圍內(nèi)適用，而且對(duì)于材質(zhì)敏感，每次都需先標(biāo)定；中子衍射法是一種可以直接獲得內(nèi)部殘 余應(yīng)力的無損方法，基本原理同X射線檢測(cè)法類似，但其要求的實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，只有反 應(yīng)堆或中子加速度器才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。綜上所述，各種殘余應(yīng)力的測(cè)量方法均有其優(yōu)點(diǎn)，但也 存在測(cè)量的局限性，一些新的殘余應(yīng)力的測(cè)量方法出現(xiàn)，將會(huì)彌補(bǔ)其他方法的不足之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘 余應(yīng)力的測(cè)量方法，所述的這種金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測(cè)量方法解決了現(xiàn)有 技術(shù)中測(cè)量金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的方法步驟復(fù)雜，會(huì)損傷測(cè)量材料的技術(shù)問 題。
[0006] 本發(fā)明提供了一種金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測(cè)量方法，包括如下步 驟：
[0007] 1)先選取待測(cè)的經(jīng)壓力加工金屬材料的某個(gè)部位進(jìn)行切割，測(cè)量切割成塊狀的待 測(cè)試樣的比容，然后測(cè)量待測(cè)金屬材料壓力加工前或者其退火態(tài)的比容；
[0008] 2)由步驟1)所測(cè)得的比容，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈性虎克定律，計(jì)算出上述待測(cè) 金屬材料相應(yīng)部位內(nèi)部的平均殘余應(yīng)力，計(jì)算平均殘余應(yīng)力的公式如下；
[0009] 公式（2)
Μ
[0010] 式中Ε為待測(cè)量金屬的彈性模量；V為待測(cè)金屬材料壓力加工后的比容；V。為待 測(cè)金屬材料壓力加工前的比容，ε為正應(yīng)變，即單位長(zhǎng)度內(nèi)線長(zhǎng)度的相對(duì)改變，為其 平均值。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種金屬材料壓力加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布的測(cè)量方法，
[0012] 1)先選取待測(cè)的經(jīng)壓力加工金屬材料的不同部位進(jìn)行切割，測(cè)量切割成塊狀的待 測(cè)試樣的比容，然后測(cè)量待測(cè)金屬材料壓力加工前或者其退火態(tài)的比容；
[0013] 2)根據(jù)不同部位的比容數(shù)值，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈性虎克定律，計(jì)算出待測(cè)金 屬材料不同部位的平均殘余應(yīng)力，由此得出其在該加工狀態(tài)下的殘余應(yīng)力分布。計(jì)算平均 殘余應(yīng)力的公式如下；
[0014] 公式（2):
[0015] 式中Ε為待測(cè)量金屬的彈性模量；ν為待測(cè)金屬材料壓力加工后的比容；ν。為待 測(cè)金屬材料壓力加工前的比容，ε為正應(yīng)變，即單位長(zhǎng)度內(nèi)線長(zhǎng)度的相對(duì)改變，為其 平均值。
[0016] 進(jìn)一步的，所述比容的測(cè)量是通過使用阿基米德法測(cè)量的，所述的阿基米德法測(cè) 量的步驟如下：
[0017] 將切割成塊狀的待測(cè)金屬材料在空氣中的質(zhì)量，記作m1;然后，將上述待測(cè)試樣 放置在盛有已知密度的液體的容器中，測(cè)量待測(cè)金屬材料浸沒在密度為ΡΛ的液體中的質(zhì) 量，記作m2;最后，按計(jì)算公式（1)，得到上述某一壓力加工狀態(tài)下的待測(cè)金屬材料的比容 ν(即P4，
[0018] 公式（1)
[0019] 比容差法中，測(cè)量得到的比容相對(duì)變化的范圍為10 2~10 3,所以ε的范圍也為 10 2~10 3。此公式對(duì)于較小的ε成立。
[0020] 進(jìn)一步的，測(cè)量待測(cè)金屬材料質(zhì)量所用的儀器為精密天平，所述精密天平的感量 至少為10 3g。
[0021] 進(jìn)一步的，所述的待測(cè)金屬材料為可壓力加工且加工后不發(fā)生相變的金屬材料。
[0022] 進(jìn)一步的，所述的可壓力加工的金屬材料為鋁合金、鎂合金或者鋼鐵材料。
[0023] 進(jìn)一步的，所述的待測(cè)金屬材料的壓力加工為常溫，或低于該材料去應(yīng)力退火溫 度的高溫。
[0024] 進(jìn)一步的，所述的待測(cè)金屬材料經(jīng)壓力加工后的狀態(tài)為退火態(tài)、或穩(wěn)定態(tài)、或者亞 穩(wěn)定態(tài)。
[0025] 本發(fā)明的技術(shù)原理是：殘余應(yīng)力是材料中發(fā)生了不均勻的塑性變形的結(jié)果，在金 屬材料壓力加工過程中，不均勻變形難以避免，因而在材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力是必然的。殘 余應(yīng)力的存在引起應(yīng)變，從而使材料產(chǎn)生了相應(yīng)的尺寸及體積的變化。因此，測(cè)量體積的變 化，即可換算為材料的（殘余）應(yīng)變，再由力學(xué)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即可求出殘余應(yīng)力。一 方面，單位質(zhì)量的體積可用比容（v=p1即密度的倒數(shù)）來表達(dá)，此物理量可由二次稱重 法（阿基米德法），用精密天平來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。密度的測(cè)量精度受到儀器精度及儀器操作的 限制，以前的舊式天平測(cè)量，采用人工加載砝碼，人工讀取光標(biāo)數(shù)據(jù)，除皮操作麻煩，重復(fù)性 差，誤差大，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)工。因此舊式天平難以有效的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的精確測(cè)量。目前通過測(cè) 量應(yīng)變來計(jì)算或評(píng)定殘余應(yīng)力的測(cè)量方法中，主要是由應(yīng)變片電阻變化來間接測(cè)量應(yīng)變的 變化，且測(cè)量得到的往往是材料表面上的某個(gè)方向的應(yīng)力，此前未見他人用密度方法來測(cè) 量和分析材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力的報(bào)道。
[0026] 本方法測(cè)量的是材料內(nèi)部的三維殘余應(yīng)力，該應(yīng)力的測(cè)量具有直接的理論依據(jù)， 即由材料體積變化的測(cè)量，得出材料的尺寸變化，即得到材料的應(yīng)變，直接用廣義虎克定律 就可計(jì)算得出試樣的平均應(yīng)力。而其他的殘余應(yīng)力測(cè)量方法一般只能測(cè)量材料表面的切向 應(yīng)力，這是因?yàn)?，在制備表面時(shí)，其表面法線方向的應(yīng)力已經(jīng)被釋放而無法測(cè)出。
[0027] 另一方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，精密的電子天平一改舊式天平繁瑣的測(cè)量加載 和測(cè)量結(jié)果的讀取方法，測(cè)量操作簡(jiǎn)單，精度較高，測(cè)量感量達(dá)到1-0. 〇lmg。本發(fā)明正是利 用目前測(cè)量?jī)x器的進(jìn)步，將二次稱重法應(yīng)用于金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)量分析的領(lǐng)域。
[0028] 本發(fā)明將比容差法應(yīng)用于壓力加工后金屬材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的測(cè)量分析和研 究。該方法具有精度高，對(duì)金屬材料內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)變化敏感，相對(duì)比容測(cè)量的精確度可達(dá) 〇. 01%及更高。本方法還可測(cè)量不完全的去應(yīng)力退火工藝處理后的殘余應(yīng)力。
[0029] 本發(fā)明可直接反映壓力加工后待測(cè)金屬材料內(nèi)部的三維殘余應(yīng)力狀態(tài)，分析中所 用儀器為天平，簡(jiǎn)單通用，操作過程簡(jiǎn)單，對(duì)待測(cè)金屬材料試樣的制備要求不高，數(shù)據(jù)處理 簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)度高；分析過程速度快、耗能低、耗材少，即整個(gè)分析判斷的過程不要求操作人員 有很高的理論知識(shí)，減少了人力、物力、財(cái)力的消耗。
[0030] 本發(fā)明根據(jù)金屬材料壓力加工前、后的體積（或比容）的變化，定量計(jì)算得出材料 內(nèi)部的殘余應(yīng)力數(shù)值。首先測(cè)量待測(cè)金屬不同壓力加工狀態(tài)下的比容，得出其體積（或比 容）的相對(duì)變化，后利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈性虎克定律，定量計(jì)算求出材料內(nèi)部的平均殘 余應(yīng)力；根據(jù)待測(cè)金屬材料的比容數(shù)值，或通過比較加工狀態(tài)下不同部位的比容數(shù)值，可定 量計(jì)算得出待測(cè)金屬材料在該加工狀態(tài)下的殘余應(yīng)力分布。該分析方法具有試樣制備簡(jiǎn)