構(gòu)件的殘余應(yīng)力產(chǎn)生及檢測

一、前言

（1）應(yīng)力概念

通常講，一個物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。

按照德國學者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：

第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個物體各個截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當一個物體的第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)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(yīng)力是存在于較小范圍（一個晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。

第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。

在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力的測量技術(shù)zui為完善，它們對材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得zui為透徹。

除了這樣的分類方法以外，工程界也習慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且一般指的都是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。

（2）應(yīng)力作用

機械零部件和大型機械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對其疲勞強度、抗應(yīng)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。適當?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯?yīng)力可能成為提高疲勞強度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當?shù)臍堄鄳?yīng)力則會降低疲勞強度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失去尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故。

（3）應(yīng)力的產(chǎn)生

在機械制造中，各種工藝過程往往都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(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(yīng)力的調(diào)整

針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時還可以引入有益的殘余壓應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問題。

通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：

①自然時效

把構(gòu)件置于室外，經(jīng)氣候、溫度的反復(fù)變化，在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下，使殘余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認為，經(jīng)過一年自然時效的工件，殘余應(yīng)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)定性很好。但由于時效時間過長，一般不采用。

②熱時效

熱時效是傳統(tǒng)的時效方法，利用熱處理中的退火技術(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(yīng)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(yīng)力可以*消除。但在實際生產(chǎn)中通?？梢韵龤堄鄳?yīng)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陷。

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，松弛殘余應(yīng)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，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。其特點是處理時間短、適用范圍廣、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，暫時加載于構(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)定的時效方法。用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時間。

特別指出，靜態(tài)過載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當大的殘余應(yīng)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(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始殘余應(yīng)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，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應(yīng)力非常嚴格的軍事領(lǐng)域。

（5）應(yīng)力檢測方法

檢測振動時效的效果實際上就是檢驗工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對殘余應(yīng)力的測試方法總的分為兩大類。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

一項振動時效工藝是否成功，起zui后的檢測方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動處理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(fù)雜的測試過程。通常在實際生產(chǎn)應(yīng)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標準中第4.1條款或JB/T10375-2002標準中的第6.2條款驗收來實現(xiàn)。

A、幅頻特性曲線掃描法

在振動處理過程中隨著殘余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現(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處理的前后進行的，且頻率在不斷的改變。有時為了獲得更好的曲線還需要將激振力調(diào)到zui?。ㄆ膠ui小的檔級）。采用頻率不變的同時畫出振幅隨時間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動處理的有效時間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應(yīng)力的變化情況。

②盲孔法

應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘余應(yīng)力來。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的殘余應(yīng)力測試方法。

③尺寸精度穩(wěn)定法

尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定期對構(gòu)件尺寸精度的測量來實現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測構(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；另一方面是要觀察構(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?zāi)康?/SPAN>

（1）檢測工件表面及內(nèi)部的綜合殘余應(yīng)力變化量。

（2）檢測工件在接受某種時效處理前后的殘余應(yīng)力變化量，以運算其應(yīng)力消除率。
三、實驗原理

目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔，使被測點的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘余應(yīng)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。并且這種方法具有較高的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的方法。

（一）理論公式的推導(dǎo)

當殘余應(yīng)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余應(yīng)力的量值。

用圖3.6表示被測點o附近的應(yīng)力狀態(tài)：σ1和σ2為о點的殘余主應(yīng)力。在距被測點半徑為r的Р點處，σr和σt分 別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。并且σr和σ1的夾角為ф。

根據(jù)彈性力學原理可得P點的原有殘余應(yīng)力σ′r和σ′t與殘余主應(yīng)力σ1和σ2的關(guān)系如式（4）。

鉆孔法測殘余應(yīng)力時，要在被測點о處鉆一半徑為a的小孔以釋放應(yīng)力。由彈性力學可知，鉆孔后P點處的應(yīng)力σ″r和σ″t分別為式（5）

在一般情況下，主應(yīng)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(yīng)力成任意角 的Ф1，Ф2，Ф3三個方向上貼應(yīng)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(yīng)變片之間的夾角采用標準角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測得的三個應(yīng)變分別為ε0，ε45和ε90即：

在有些情況下，公式（12）將會有所變化：

1.如果被測點的殘余應(yīng)力是單向應(yīng)力狀態(tài)，只要在應(yīng)力方向上貼一應(yīng)變片，鉆孔后即可測出應(yīng)變εo，把Ф=0, σ2=0代入（11）式得

2.如果殘余應(yīng)力σ1和σ2的方向已知，則可沿兩個主應(yīng)力方向貼一應(yīng)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。因此上述方法被稱做理論公式法。還有一種方法就是通過在拉伸試件上標定釋放應(yīng)變與應(yīng)力的比例系數(shù)后，再計算殘余應(yīng)力，這種方法稱做實驗標定法。

（二）實驗標定法

如圖3.9所示，在距孔心r處貼片。為消除邊緣效應(yīng)的影響，取寬度b大于a的4-5倍的試件。在材料試驗機上將沒有鉆孔的試件逐級加載，計算出試件的應(yīng)力σ，測出各級荷載下的應(yīng)變ε′1和ε′2。然后取下試件用設(shè)備在試件部位上?？缀?，再重新拉伸，并測出?？缀蟮膽?yīng)變值ε″1和ε″2。

將兩種情況下同一級荷栽產(chǎn)生的應(yīng)變差求出后可見，鉆孔前后的應(yīng)變差與應(yīng)力成正比，即：

（21）式與（13）式具有*相同的形式，它說明標定法得到的A′,B′相當于理論公式中的A,B。因此只要通過標定法測得A′和B′后代入公式（12）中，即可得到主應(yīng)力方向未知的測點的殘余應(yīng)力σ1和σ2及其夾角Ф的數(shù)值。

當構(gòu)件中的殘余應(yīng)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余應(yīng)力。其方法是：等深度地逐層鉆孔測定每次的應(yīng)力釋放量。如果已知主應(yīng)力的方向，則有：

被測點鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計所測出的釋放應(yīng)變值很小，必須采用高精度的應(yīng)變計。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產(chǎn)生誤差的各種因素，其中zui主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)，還有應(yīng)變測試誤差。一般來說鉆孔深度 h≥2a 即可。

（三）鉆孔設(shè)備及鉆孔要求

（1）.鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時要求對中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖，這種鉆具能較好地實現(xiàn)上述要求，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)要求：

①被測表面的處理要符合應(yīng)變測量的技術(shù)要求，直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準確地粘貼在測點位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。

②鉆孔時要保證鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在±0.025 mm以內(nèi)。

③鉆孔時要穩(wěn)，機座不能抖動。鉆孔速度要低，鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度漂移，孔周切削應(yīng)變增大使測量不穩(wěn)定。為消除切削應(yīng)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，可以使用噴沙打孔法打一盲孔，噴沙打孔的方法就是利用壓縮空氣帶動Al2O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對準應(yīng)變花中心打孔標志，噴吹表面而得一盲孔。這種方法實際上是一種磨削過程，其產(chǎn)生的熱量由氣流冷卻，加之切削量很小，因此打孔時引起的附加應(yīng)力較小，噴沙打孔法的測量精度較高。

四、實驗步驟

1. 準備檢測器材：靜態(tài)應(yīng)變儀，三根信號線，一根信號補償線，打孔裝置，鉆頭、手持式磨光機，直角應(yīng)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)記錄卡，示意圖繪制卡，常用工具箱。
2. 調(diào)整工件位置及整理現(xiàn)場環(huán)境，保證檢測試驗的精度。
3. 選擇應(yīng)力測試點，一般選6~10個點。
4. 打磨測試點。先用砂輪進行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，zui后用細砂紙精打磨，確保表面光滑。
5. 用乙醇清潔劑清潔測試點；
6. 使用瞬間黏合劑粘貼應(yīng)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(yīng)變片，分兩組檢測，振前測試*組測試點中的一個應(yīng)變片，振后測試第二組）
7. 將測試線輕輕拉起，小心拉斷，使測試先不與構(gòu)件接觸
8. 粘貼接線端子（每點三個方向）
9. 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、B

45°接在CH2上的A、B

90°接在CH3上的A、B

補償線接在另外某一點的A、B

12、電烙鐵焊接數(shù)據(jù)線

將0°，45°，90°數(shù)據(jù)線焊于對應(yīng)的測試點，接線端子上

將補償線暫時焊接在一快不用的接線端子上（當測試此點時，將補償線換一位置焊好）

13、將靜態(tài)應(yīng)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記錄，靜態(tài)應(yīng)變儀記錄振前值。依次記錄每個孔的振前應(yīng)變值。

16、起振，對被測工件進行振動時效處理。

17、處理完畢，再對各點的第二組應(yīng)變片進行打孔檢測數(shù)值。

18、記錄振后應(yīng)變數(shù)值；

19、全部實驗數(shù)據(jù)與測量結(jié)果均應(yīng)列表表示，按公式計算殘余應(yīng)力的大小和方向，并對測量結(jié)果進行誤差分析。

20、將數(shù)據(jù)線拆除，清理現(xiàn)場

21、將數(shù)據(jù)輸入電腦進行軟件換算，得出振前、振后的應(yīng)力變化表

22、擬定盲孔法殘余應(yīng)力檢測報告。

五、結(jié)束語

目前上關(guān)于殘余應(yīng)力的測量方法多種多樣，就機械方法中有盲孔法、切割法、套環(huán)法，其次還有針對一定對象的環(huán)芯法。切割法和套環(huán)法測量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，所以盲孔法因其試驗破壞性小、適用性強，數(shù)據(jù)檢測精度性較高，試驗過程及操作較為簡單，對試驗環(huán)境的要求也相對寬松等特點被各個國家普遍采用。