残余应力测试方法的研究进展.docx

残余应力测试方法的研究进展 0 残余应力测试方法及应用 剩余能力的问题一直受到重视。在机械加工过程中,外力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。在铸造、锻造、焊接及各类切削加工过程中,工件均会由于受外力和温度的作用而引起残余应力。残余应力的产生、叠加及释放过程造成零件内部应力状况的重新分布,就可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度,降低零件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力,最终影响到机器设备的性能与使用寿命。因此,分析残余应力的产生机理、探究有效的残余应力测试方法与改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。 事实上,在各工业领域如机械、水利水电、热电核电、航空航天、石油化工、冶金、铁路、交通等行业,残余应力测试技术及其应用研究始终受到高度重视,特别是加入世贸组织以来,为了与国际接轨,残余应力测试已成为许多行业必需的检验和控制手段。 目前,残余应力的测试方法很多,按其对于被测构件是否具有破坏性,可分为有损测试法和无损测试法两大类。有损测试法的主要原理是破坏性的应力释放,使其释放部分产生相应的位移与应变,测量出这些位移和应变,经换算得到构件原有的应力。常用的方法有钻孔法、取条法、切槽法、剥层法等,在钻孔法中为了降低构件因钻孔而受损伤的程度,可用盲孔法、浅盲孔法。无损测试法是多年来科研人员一直探索的方法,目前无损测试的方法有X射线法、中子衍射法、超声波法、磁性法等。但是鉴于这些方法的应用都有一定的局限性,因此残余应力测试技术至今仍是一个有待深入研究的课题,残余应力测试技术的研究,无论对于基础研究,还是对于工程应用都有十分重要的意义。 本研究主要探讨了残余应力测试技术的进展与动向。 1 残余应力的测量 各工业发达国家都很重视残余应力测试技术的研究,并取得了很多研究成果。欧洲最重要的残余应力会议—The European Conference on Residual Stress(ECRS)已举行了7届,欧洲各国的残余应力工作者每次均十分踊跃地参加,且特别重视X射线法、中子衍射法的研究,美国在X射线法、中子衍射法测量残余应力的研究工作中取得了很大的成绩,日本也十分重视残余应力方面的研究。在我国,全国性的残余应力学术交流会已举行多届,近年来相关的科研人员在典型构件的残余应力状态分析和测试方法,在加工制造工艺方面如何减少残余应力,以及降低残余应力对机械构件产生的不良效应等方面都做了大量研究。从已发表的文献数量及我国人员参与国际会议的情况来看,我国对残余应力的研究日益重视。随着我国工业技术的高速发展,由残余应力引起的问题将更为突出,残余应力测试技术的应用研究将促进我国工业水平的进一步发展。 残余应力的数值分析也称为残余应力的定量预测,即利用数值计算方法,对构件的残余应力分布状况进行预见性的定量分析,这是近几年研究课题的手段之一。目前,借助于有限元分析软件,数值模拟计算和实验相结合成了残余应力测试技术研究的主要方法。 2 主要残余动力法的研究现状 2.1 钻头附加应力场 盲孔法是目前工程上最常用的残余应力测量方法,美国ASTM协会已将其纳入标准。近年来各国研究者继续对盲孔法作了大量的研究工作,从实际操作中的各种工艺因素、误差来源等方面进行了深入分析,使其日趋完善。 由于盲孔法的计算公式是根据通孔的简化力学模型推导出的,与实际情况存在偏差,对此,一般采用有限元数值分析的方法,分别对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布情况进行计算,得出孔径深比及孔缘孔底形状对释放应力的影响,避免Kirsch通孔解所带来的误差,同时又可省去大量人工实验标定的繁琐。由于在钻孔过程中,钻头使孔壁经历了弹性变形、塑性变形和切断过程,因而在孔壁周围由于局部塑性变形而产生附加应力场,使粘贴在该区域内的应变片感受到附加应变,其大小受孔径、孔深、钻进速度、钻头类型、钻刃锋利程度、应变片尺寸及其到盲孔中心的距离等因素的影响。Steinzig等对盲孔法测量过程中的钻削附加应变所引起的误差作了详细的分析讨论,张晓宏等用有限元方法对小孔法测量残余应力时孔边塑性应变量进行分析及修正,以提高测试精度。侯海量等为探讨简单易行的盲孔法测量焊接残余应力应变释放系数A、B的标定,根据盲孔法测量残余应力时应变释放系数A、B试验标定原理和强度理论,建立了三维有限元模型,分别对盲孔法测量921A钢焊接残余应力应变释放系数进行了有限元标定和孔边应力集中有限元塑性修正,并由此得出了应变释放系数随孔深与孔径比值的关系式和应变释放系数随形状改变的塑性修正公式;将有限元标定结果与试验标定结果、通孔应变释放系数理论解进行比较,使得有限元标定结果与试验结果、通孔应变释放系数理论值有较好的一致性,经塑性修正,计算结果与试验测量结果的偏差大大减小。刘一华等对盲孔法中释放系数进行数值计算