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金属构件残余应力测试原理与技术

来源:http://nx.sxggb.net/news457304.html 发布时间:2016-6-30 0:00:00

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残留应力(Residual Stress)是在无外力的作用时,以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下,当没有通过物体表面向物体内部传递应力时,在物体内部保持平衡的应力系称为固有应力(InherentStress)或初始应力(Initial Stress)。热应力(Thermal Stress)和残余应力(Residual Stress)是固有应力的一种,而固有应力也被一些研究者称为内应力(Internal Stress)

在各种机器的制造过程中,零件内部都将产生残余应力。机械加工如拉拔,挤压,轧制,校正,切削,磨削,表面滚压,喷丸或锤击,热加工如焊接,切割,铸造还包括淬火,回火之类的热处理等,都会产生残余应力。分析残余应力的大小和分布无论对于基础研究还是生产制造都有很大的帮助,它可以作为一种定量分析方法。


残余应力分类

根据残余应力相互影响范围的大小可分为:

第一类内应力,又称宏观残余应力。,它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的,故其应力平衡范围包括整个工件。例如,将金属棒施以弯曲载荷,则上边受拉而伸长,下边受到压缩;变形超过弹性极限产生了塑性变形时,则外力去除后被伸长的一边就存在压应力,短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大,仅占总储存能的0.1%左右。

第二类内应力,又称微观残余应力。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当,即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值,甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。

第三类内应力,又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米,它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的。变形金属中储存能的绝大部分(80%~90%)用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量,使之处于热力学不稳定状态,故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势,并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。

根据产生的原因可分为:

体积应力。体积应力是由物体受到外部机械的、热的或化学的不均匀作用所形成的,就是均质材料也会产生这种应力,与宏观残余应力对应。

结构应力或亚结构应力。与微观残余应力对应。


测试原理

其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ:即一定波长的X射线照射到晶体材料上,相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd,根据胡克定律和弹性力学原理,计算出材料的残余应力。


测试方法

盲孔法残余应力测量

它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔,以去除一部分具有应力的金属,而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛,钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布,并呈现新的应力平衡,从而使圆孔附近的金属发生位移或应变,通过高灵敏度的应变仪,测量钻孔后的应变量,就可以计算原应力场的应力值。

残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究,还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器,也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机,采用高精度测量放大器、数据采集和处理器,测量中无需调零,可直接测出残余应力值的大小及方向,实现了残余应力测量的自动化。

磁测法残余应力测量

磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。众所周知,铁磁材料具有磁畴结构,其磁化方向为易磁化轴向方向,同时具有磁致伸缩性效应,且磁致伸缩系数是各向异性的,在磁场作用下,应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路,将磁导率变化转变为电信号,输出电流(或电压)值来反映应力值的变化,并通过装有特定残余应力计算机软件的计算机计算,得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。

X射线衍射法残余应力测量

在各种无损测定残余应力的方法之中,X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟,方法完善,经历了七十余年的进程,在国内外广泛应用于机械工程和材料科学,取得了卓著成果。

X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置,因而它还有一项附加的功能──测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件,而且能够针对同一点以不同的φ角、Ψ角进行测试,以探测织构的影响,这项功能便具备了重要而独特的用途。

量子科技公司

X射线是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测法之一,是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力的,至今仍是研究得最广泛、深入、成熟的内应力测定方法被广泛应用于科学研究和工业生产各领域。过去几十年时间里大家都在使用基于一维探测器和Sin2Ψ分析方法的分析仪,2012年日本Pulstec公司开发出世界首款基于圆形全二维探测器技术和cosα分析方法的新一代X射线残余应力分析仪——μ-X360n,将利用X射线研究残余应力的测量速度和精度推到了一个全新的高度,设备一经推出受到了业界的广泛关注和接受,总体说来它比传统方法具有如下优点:

更快:二维探测器获取完整德拜环,单角度一次入射测量即可完成测量,全过程平均约90

更精确:一次测量最多可获得500个数据点,用于拟合计算应力

更轻松:无需测角仪,单角度一次入射即可,复杂形状和狭窄空间的测量不再困难

更方便:测量精度高, 无需冷却水、野外工作无需外部供电

更强大:有区域应力分布测量成像(Mapping)功能,软件有晶粒大小、材料织构、残余奥氏体信息分析功

 

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