盲孔法測殘余應力

有關(guān)構(gòu)件的殘存應力檢測（盲孔法檢測）一、前言（1）應力概念普通講，一種物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達成平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并本身保持平衡的應力叫做內(nèi)應力。按照德國學者馬赫勞赫提出的分類辦法，內(nèi)應力分為三類：第Ⅰ類內(nèi)應力是存在于材料的較大區(qū)域（諸多晶粒）內(nèi)，并在整個物體各個截面保持平衡的內(nèi)應力。當一種物體的第Ⅰ類內(nèi)應力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時，物體會產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。第Ⅱ類內(nèi)應力是存在于較小范疇（一種晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應力。第Ⅲ類內(nèi)應力是存在于極小范疇（幾個原子間距）的內(nèi)應力。在工程上普通所說的殘存應力就是第Ⅰ類內(nèi)應力。到現(xiàn)在為止，第Ⅰ類內(nèi)應力的測量技術(shù)最為完善，它們對材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得最為透徹。除了這樣的分類辦法以外，工程界也習慣于按產(chǎn)生殘存應力的工藝過程來歸類和命名，例如鍛造應力、焊接應力、熱解決應力、磨削應力、噴丸應力等等，并且普通指的都是第Ⅰ類內(nèi)應力。（2）應力作用機械零部件和大型機械構(gòu)件中的殘存應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。適宜的、分布合理的殘存壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適宜的殘存應力則會減少疲勞強度，產(chǎn)生應力腐蝕，失去尺寸精度，甚至造成變形、開裂等早期失效事故。（3）應力的產(chǎn)生在機械制造中，多個工藝過程往往都會產(chǎn)生殘存應力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘存應力的因素能夠歸結(jié)為：1.不均勻的塑性變形；2.不均勻的溫度變化；3.不均勻的相變（4）應力的調(diào)節(jié)針對工件的具體服役條件，采用一定的工藝方法，消除或減少對其使用性能不利的殘存拉應力，有時還能夠引入有益的殘存壓應力分布，這就是殘存應力的調(diào)節(jié)問題。普通調(diào)節(jié)殘存應力的辦法有：①自然時效把構(gòu)件置于室外，經(jīng)氣候、溫度的重復變化，在重復溫度應力作用下，使殘存應力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。普通認為，通過一年自然時效的工件，殘存應力僅下降2%～10%，但工件的松弛剛度得到了較大地提高，因而工件的尺寸穩(wěn)定性較好。但由于時效時間過長，普通不采用。②熱時效熱時效是傳統(tǒng)的時效辦法，運用熱解決中的退火技術(shù)，將工件加熱到500～650℃進行較長時間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過原子擴散及塑性變形使內(nèi)應力消除。從理論上講采用熱時效，只要退火溫度和時間適宜，應力能夠完全消除。但在實際生產(chǎn)中普通能夠消除殘存應力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及機械性能下降等缺點。③振動時效振動時效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘存應力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使殘存應力得到釋放，以達成減少和調(diào)節(jié)殘存應力的目的。其特點是解決時間短、合用范疇廣、能源消耗少、設(shè)備投資小，操作簡便，因此振動時效在70年代從發(fā)達國家引進后在國內(nèi)被大力推廣。④靜態(tài)過載法靜態(tài)過載法是以靜力或靜力矩的形式，臨時加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時效辦法。用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應力與附加應力之和靠近于材料的屈服極限，才干消除殘存應力。靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應力的大小及應力下保持時間。特別指出，靜態(tài)過載法解決后構(gòu)件中仍然保持著相稱大的殘存應力。⑤熱沖擊時效法1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時效工藝法。其實質(zhì)就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應力正好與殘存應力疊加，超出材料的屈服極限引發(fā)塑性變形，從而使原始殘存應力很快松弛并穩(wěn)定化。⑥超聲波時效法超聲波時效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達國家得到推廣，該辦法起先重要應用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應力非常嚴格的軍事領(lǐng)域。（5）應力檢測辦法檢測振動時效的效果事實上就是檢查工件中殘存應力與否得以消除和均化，現(xiàn)在對殘存應力的測試辦法總的分為兩大類。一類是定量測量：如盲孔法、X射線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是定性測試：如振動參數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。①振動參數(shù)曲線法一項振動時效工藝與否成功，起最后的檢測辦法應是殘存應力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動解決過程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長時間和復雜的測試過程。普通在實際生產(chǎn)應用的控制過程中往往采用振動時效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時間參數(shù)曲線測試法，并按JB/T5926-91原則中第4.1條款或JB/T10375-原則中的第6.2條款驗收來實現(xiàn)。A、幅頻特性曲線掃描法在振動解決過程中隨著殘存應力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，因此在幅頻特性曲線上所體現(xiàn)出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。B、振幅-時間曲線監(jiān)測法幅-頻特性曲線是在振動解決的前后進行的，且頻率在不停的變化。有時為了獲得更加好的曲線還需要將激振力調(diào)到最?。ㄆ淖钚〉臋n級）。采用頻率不變的同時畫出振幅隨時間變化的曲線。這種辦法既能夠通過振幅的變化來控制振動解決的有效時間，又可通過振幅的變化量來檢測殘存應力的變化狀況。②盲孔法應用較為廣泛的殘存應力測試辦法是鉆盲孔法。就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周邊的應變計測得釋放的應變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘存應力來。這種辦法含有較好的精度，因此它已成為應用比較廣泛的殘存應力測試辦法。③尺寸精度穩(wěn)定法尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定時對構(gòu)件尺寸精度的測量來實現(xiàn)的。它涉及兩方面內(nèi)容：首先是觀察構(gòu)件尺寸精度隨時間而發(fā)生的變化量，與熱時效或精度允差相比較；另首先是要觀察構(gòu)件在靜、動載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統(tǒng)工藝（熱時效）相比，以鑒定振動時效工藝的可行性。二、實驗目的（1）檢測工件表面及內(nèi)部的綜合殘存應力變化量。（2）檢測工件在接受某種時效解決前后的殘存應力變化量，以運算其應力消除率。

三、實驗原理現(xiàn)在在焊接件和鑄件上應用的較多的殘存應力測量辦法是盲孔法，盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔，使被測點的應力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應變計測得釋放的應變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘存應力來。鉆孔的直徑和深度都不大，不會影響被測構(gòu)件的正常使用。并且這種辦法含有較高的精度，因此它已成為應用比較廣泛的辦法。（一）理論公式的推導當殘存應力沿厚度方向的分布比較均勻時，可采用一次鉆孔法測量殘存應力的量值。用圖3.6表達被測點o附近的應力狀態(tài)：σ1和σ2為о點的殘存主應力。在距被測點半徑為r的Р點處，σr和σt分別表達鉆孔釋放徑向應力和切向應力。并且σr和σ1的夾角為ф。根據(jù)彈性力學原理可得P點的原有殘存應力σ′r和σ′t與殘存主應力σ1和σ2的關(guān)系如式（4）。鉆孔法測殘存應力時，要在被測點о處鉆二分之一徑為a的小孔以釋放應力。由彈性力學可知，鉆孔后P點處的應力σ″r和σ″t分別為式（5）在普通狀況下，主應力方向是未知的則上式中含有三個未知數(shù)σ1，σ2和Ф。如果在與主應力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三個方向上貼應變片，由上式可得三個方程，即可求出σ1，σ2和Ф來。為了計算方便，三個應變片之間的夾角采用原則角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測得的三個應變分別為ε0，ε45和ε90即：在有些狀況下，公式（12）將會有所變化：1.如果被測點的殘存應力是單向應力狀態(tài)，只要在應力方向上貼一應變片，鉆孔后即可測出應變εo，把Ф=0,σ2=0代入（11）式得2.如果殘存應力σ1和σ2的方向已知，則可沿兩個主應力方向貼一應變片，如圖3.7所示，Φ=0和Φ=90。則由（11）式可得：公式（12）是通過彈性力學理論推倒而來的，式中的A、B值是通過計算得到的。因此上述辦法被稱做理論公式法。尚有一種辦法就是通過在拉伸試件上標定釋放應變與應力的比例系數(shù)后，再計算殘存應力，這種辦法稱做實驗標定法。（二）實驗標定法如圖3.9所示，在距孔心r處貼片。為消除邊沿效應的影響，取寬度b不不大于a的4-5倍的試件。在材料實驗機上將沒有鉆孔的試件逐級加載，計算出試件的應力σ，測出各級荷載下的應變ε′1和ε′2。然后取下試件用專用設(shè)備在試件指定部位上?？缀?，再重新拉伸，并測出?？缀蟮膽冎郸拧?和ε″2。將兩種狀況下同一級荷栽產(chǎn)生的應變差求出后可見，鉆孔前后的應變差與應力成正比，即：（21）式與（13）式含有完全相似的形式，它闡明標定法得到的A′,B′相稱于理論公式中的A,B。因此只要通過標定法測得A′和B′后裔入公式（12）中，即可得到主應力方向未知的測點的殘存應力σ1和σ2及其夾角Ф的數(shù)值。當構(gòu)件中的殘存應力沿厚度分布不均勻時，可采用分層鉆孔法求得各深度的殘存應力。其辦法是：等深度地逐級鉆孔測定每次的應力釋放量。如果已知主應力的方向，則有：被測點鉆一小孔只能使殘存應力局部釋放，因此應變計所測出的釋放應變值很小，必須采用高精度的應變計。為了不停提高測量精度，還必須十分注意產(chǎn)生誤差的多個因素，其中最重要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)，尚有應變測試誤差。普通來說鉆孔深度h≥2a即可。（三）鉆孔設(shè)備及鉆孔規(guī)定（1）.鉆孔設(shè)備的構(gòu)造應當簡樸，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時規(guī)定對中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應在多個曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的構(gòu)造圖，這種鉆具能較好地實現(xiàn)上述規(guī)定，借助4個可調(diào)節(jié)X、Y方向的位置和上、下位置，以保持鉆孔垂直于工件表面，用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。（2）.鉆孔的技術(shù)規(guī)定：①被測表面的解決要符合應變測量的技術(shù)規(guī)定，直角應變片應用502膠水精確地粘貼在測點位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，避免鐵屑破壞絲柵。②鉆孔時要確保鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應控制在±0.025mm以內(nèi)。③鉆孔時要穩(wěn)，機座不能抖動。鉆孔速度要低，鉆孔速度快易造成應變片的溫度漂移，孔周切削應變增大使測量不穩(wěn)定。為消除切削應變的影響，可先采用小鉆頭鉆孔然后再用銑刀洗孔。如果無法使用小孔鉆，能夠使用噴沙打孔法打一盲孔，噴沙打孔的辦法就是運用壓縮空氣帶動Al2O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對準應變花中心打孔標志，噴吹表面而得一盲孔。這種辦法事實上是一種磨削過程，其產(chǎn)生的熱量由氣流冷卻，加之切削量很小，因此打孔時引發(fā)的附加應力較小，噴沙打孔法的測量精度較高。四、實驗環(huán)節(jié)準備檢測器材：靜態(tài)應變儀，三根信號線，一根信號賠償線，打孔裝置，鉆頭、手持式磨光機，直角應變片，瞬間黏合劑（502或406），乙醇清潔劑，棉球，粗砂皮，精細砂紙，剪刀，鑷子，電烙鐵，接線端子，穩(wěn)壓電源，數(shù)據(jù)統(tǒng)計卡，示意圖繪制卡，慣用工具箱。調(diào)節(jié)工件位置及整頓現(xiàn)場環(huán)境，確保檢測實驗的精度。選擇應力測試點，普通選6~10個點。打磨測試點。先用砂輪進行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用細砂紙精打磨，確保表面光滑。用乙醇清潔劑清潔測試點；使用瞬間黏合劑粘貼應變片并按緊，貼片后在示意圖卡上繪出工件上各點位置。（每個測試點分開貼兩個應變片，分兩組檢測，振前測試第一組測試點中的一種應變片，振后測試第二組）將測試線輕輕拉起，小心拉斷，使測試先不與構(gòu)件接觸粘貼接線端子（每點三個方向）將測試先焊于接線端子上0°、45°、90°（每個角度有兩根測試線）10、將剩余的測試線剪斷11、接數(shù)據(jù)線0°接在CH1上的A、B45°接在CH2上的A、B90°接在CH3上的A、B賠償線接在另外某一點的A、B12、電烙鐵焊接數(shù)據(jù)線將0°，45°，90°數(shù)據(jù)線焊于對應的測試點，接線端子上將賠償線臨時焊接在一快不用的接線端子上（當測試此點時，將賠償線換一位置焊好）13、將靜態(tài)應變儀清零，通道1，2，3，（單點平衡）14、將打孔裝置接入到穩(wěn)壓電源24伏，手持鉆槍保持平衡、勻速的鉆入（須鉆在測試片中心）15、鉆孔同時由助手觀察并統(tǒng)計，靜態(tài)應變儀統(tǒng)計振前值。依次統(tǒng)計每個孔的振前應變值。16、起振，對被測工件進行振動時效解決。17、解決完畢，再對各點的第二組應變片進行打孔檢測數(shù)值。18、統(tǒng)計振后應變數(shù)值；19