关于构件的残余应力检测（盲孔法步骤）..doc

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念 通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。第类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。通常调整残余应力的方法有：处理时间短适用范围广能源消耗少设备投资小，操作简便 根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力σ′r和σ′t与残余主应力σ1和σ2的关系如式（4）。 钻孔法测残余应力时，要在被测点о处钻一半径为a的小孔以释放应力。由弹性力学可知，钻孔后P点处的应力σ″r和σ″t分别为式（5） 在一般情况下，主应力方向是未知的则上式中含有三个未知数σ1，σ2和Ф。如果在与主应力成任意角 的Ф1，Ф2，Ф3三个方向上贴应变片， 由上式可得三个方程，即可求出σ1，σ2和Ф来。为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90即： 在有些情况下，公式（12）将会有所变化： 1.如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变εo，把Ф=0, σ2=0代入（11）式得 2.如果残余应力σ1和σ2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，如图3.7所示，Φ=0和Φ=90。则由（11）式可得： 公式（12）是通过弹性力学理论推倒而来的，式中的A、B值是通过计算得到的。因此上述方法被称做理论公式法。还有一种方法就是通过在拉伸试件上标定释放应变与应力的比例系数后，再计算残余应力，这种方法称做实验标定法。 （二）实验标定法 如图3.9所示，在距孔心r处贴片。为消除边缘效应的影响，取宽度b大于a的4-5倍的试件。在材料试验机上将没有钻孔的试件逐级加载，计算出试件的应力σ，测出各级荷载下的应变ε′1和ε′2。然后取下试件用专用设备在试件指定部位上专孔后，再重新拉伸，并测出专孔后的应变值ε″1和ε″2。 将两种情况下同一级荷栽产生的应变差求出后可见，钻孔前后的应变差与应力成正比，即： （21）式与（13）式具有完全相同的形式，它说明标定法得到的A′,B′相当于理论公式中的A,B。因此只要通过标定法测得A′和B′后代入公式（12）中，即可得到主应力方向未知的测点的残余应力σ1和σ2及其夹角Ф的数值。 当构件中的残余应力沿厚度分布不均匀时，可采用分层钻孔法求得各深度的残余应力。其方法是：等深度地逐层钻孔测定每次的应力释放量。如果已知主应力的方向，则有： 被测点钻一小孔只能使残余应力局部释放，因此应变计所测出的释放应变值很小，必须采用高精度的应变计。为了不断提高测量精度，还必须十分注意产生误差的各种因素，其中最主要的是钻孔设备的精度和钻孔技术，还有应变测试误差。一般来说钻孔深度 h≥2a 即可。 （三）钻孔设备及钻孔要求 （1）.钻孔设备的结构应该简单，便于携带，易于固定在构件上，同时要求对中方便，钻孔深度易于控制，并能适应在各种曲面上工作。图3.10为小孔钻的结构图，这种钻具能较好地实现上述要求，借助4个可调节X、Y方向的位置和上、下位置，以保持钻孔垂直于工件表面，用万向节与可调速手电钻连接施行钻孔。 （2）.钻孔的技术要求： ①被测表面的处理要符合应变测量的技术要求，直角应变片应用502胶水准确地粘贴在测点位置上，