工程残余应力测试方法分析_马军

工程残余应力测试方法分析

马军1,傅子霞1,袁海洋2

(1.长沙职业技术学院机械工程系,湖南长沙410217;2.湖南信息职业技术学院机电工程系,湖南长沙410200)

摘

要：针对工程上两种主要的残余应力测试方法———半无损机械式中心盲孔法和无损X射线衍射技术，分析了

二者测量原理、应用范围及优缺点等。并通过对比测试几组具有不同性质试样的表面残余应力水平与分布，对这两种方法的可行性与准确性进行了讨论。

关键词：残余应力；应力测试；中心盲孔法；X射线衍射技术中图分类号：TB404;TG115

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2014)06-0045-02

AnalysisonTestingMethodsforEngineeringResidualStress

MAJun1,FUZixia1,YUANHaiyang2

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,ChangshaVocational&TechnicalCollege,Changsha410217,China;2.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,HunanCollegeofInformation,Changsha410200,China)

Abstract：Aimingatthetwoengineeringstresstestingmethods-semi-destructivecentralblind-holemethodandnon-destructiveX-raydiffractiontechnology,themeasuringprinciple,applicationrangeandrelativemeritswereanalyzed.Inaddition,severalgroupsofdifferentspecimenswithdifferentsurfaceresidualstresslevelsanddistributionsweretestedbycontrastusingthetwomethods,andthefeasibilityandaccuracyoftheobtainedresultswerediscussed.

Keywords：residualstress;stresstesting;centralblind-holemethod;X-raydiffraction

残余应力对材料的力学性能(如蠕变与疲劳)影响很大[1]，故工程上对残余应力监测并控制越来越得到广大学者的重视。目前，半有损中心盲孔法和无损X射线衍射法是工程上两种应用非常广泛且成熟的应力测试方法。二者测试原理不同，分别从宏观与微观侧面反映出结构的弹性变形情况。在应力测试中，测试方案的可行性与结果的准确性是最受关注的两个方面，故本文借助应力测试对比试验对其可行性与准确性进行讨论。

影响该方法结果准确性的因素为钻孔位置准确度与钻孔时额外引入机械应力的大小。但研究认为，实际应用中只有当残余应力低于材料屈服应力的一半时测试结果才较准确。

1.2X射线衍射法

常称为sin2φ法，基本思想是一定的应力状态引起材料晶格应变和宏观应变是一致的[4]。用于测量细晶粒材料内应力，应力敏感性与准确性很高。测量中衍射峰位置随着倾斜角值而改变，而偏移量则与残余应力大小有关。由于计算的复杂性，该方法常用在平面应力场合下，在非晶或大晶粒材料、纳米材料、织构材料与严重变形金属等的场合中不适用[5]。

1应力测量方法

由德国学者Mather[2-3]提出，是一种测量残余应

1.1中心盲孔法

力的半无损方法，对工件性能损伤小。该方法测量的是当在应变花中心钻孔去除材料时所释放的应变，通过记录应变释放量可计算出主应力的方向与大小。适应场合为应力沿材料深度均匀分布而非表层分布。

收稿日期:2012-12-13

基金项目:湖南省教育厅项目(11C0935)

作者简介:马军(1968-),男,湖南常德人,讲师,研究方向为机械设计

与加工

2试验与讨论

试样为轧制7075铝合金与S960QL高强合金

钢，水浴淬火铝板尺寸为1200mm×220mm×30mm，表面喷丸铝试样尺寸200mm×30mm×10mm，焊接钢板尺寸为20mm×030mm×8mm，表面焊缝宽度为6mm，并沿板横向中心线分布。

中心盲孔参数为：HK21B残余应力测量仪，

TJ120-1.5-φ1.5三相电阻应变计，钻孔直径与深度分

别为1.5、2mm，悬臂梁标定A、B系数。X射线衍射

45

HotWorkingTechnology2014,Vol.43,No.6

残余应力测量设备为加拿大Proto公司生产的

图3为S960QL高强合金钢垂直于焊缝方向的残余应力分布。可看出，焊缝上材料微组织的结构敏感性造成其附近强烈的应力敏感区，应力分布相当复杂。采用X射线衍射技术测试焊缝处残余应力并不容易，对原始应力的正确估计、正确的表面处理与合理的测试参数是保证测试结果质量的前提条件。而中心盲孔法可忽略材料微结构的不均匀性，不仅操作简单，测试结果也得以保证，但不适于表征材料局部细节的应力演变。

100表面残余应力/MPa垂直中心线以上垂直中心线以上垂直中心线处垂直中心线以下垂直中心线以下中心盲孔法

iXRD型衍射仪，测试误差范围±10MPa。

采用两种方法对淬火铝合金厚板表面进行残余应力测试，得到沿其轧向应力分布如图1所示。淬火过程中铝合金厚板的应力应变状态急剧变化，内外各处热交换状态及受到周围材料影响皆不相同，产生一定的不均匀性。中心盲孔法测量结果与X射线法一致，因淬火应力场梯度小，应力平均也降低了测试误差。这表明该场合下二者皆可取且正确，可相互补充或验证。

-100-120表面残余应力/MPa80mm处40mm处40mm处80mm处

X射线衍射法中心盲孔法

500-50-100-150

0

5

10

-140-160-180-200-220

距焊缝中心线距离/mm

152025

-1000100300500测试点位置/mm

图1铝合金厚板轧向表面残余应力分布-500

-300

图3高强钢中垂直于中心焊缝方向的残余应力分布

Fig.3ResidualstressdistributionperpendicularingtoweldcenterlineofS960QLhighstrengthalloysteel

Fig.1Surfaceresidualstressesdistributionofaluminumalloythickplateinrollingdirection

3结论

(1)在一般场合下，中心盲孔法与X射线衍射

图2为铝合金喷丸样表层残余应力分布图。喷丸工艺引入的残余应力影响深度为300μm。由于X射线衍射法测量的是晶格间距的变化，随喷丸强度增大，层内晶格间距发生较大改变。而中心盲孔法由于其钻孔深度要求达到2mm，故无法测试出沿喷丸样厚度层深变化的应力梯度，且数值上低于X射线法40MPa左右。这是因为后者认为测试结果为表面应力，而前者结果为沿厚度方向2mm的平均值，应力平均造成钻孔测试值偏小。

150

喷丸条件：压强0.1MPa，速度30m/s喷丸条件：压强0.2MPa，速度40m/s

技术测试结果具有可比性。X射线法可表征应力分布梯度或局部细节应力演变，而中心盲孔法可处理具有较强材料、应力敏感性的材料或织构材料。

(2)方案的可行性必须建立在深入理解测试原

理与材料微观组织结构的基础上，结果也才具有可信性。在工程应用中，可采用对比测试结合二者优点，以拓宽方案的可行性，并加强结果的准确性。参考资料:

[1][2]

米谷茂．残余应力的产生和对策[M]．北京：机械工业出版社，1983：261-307．

残余应力/MPa50

MatharJ．Determinationofinitialstressesbymeasuringthedeformationsarounddrilledholes[J]．Trans.ASME，1934(4)：249-254．

-50

[3]

-150

SceteW，VancombmggeR．Anindustrialmethodforthedeterminationofresidualstress[J]．Pre.SESA，1950，8(1)：17-26．

-2500

100200距表面距离/μm

300400

[4][5]

胡永会，吴运新，陈磊，等．X射线法测量淬火铝合金厚板表面残余应力[J]．中国材料进展，2011，30(2)：51-55．

张铭，何家文．丝织构对薄膜X射线残余应力分析的影响[J]．机械工程材料，2001，25(5)：21-23．

图2铝合金喷丸样表层残余应力分布

Fig.2Residualstressdistributionoftheshot-peened

specimensbyX-raymethod

46