怎么检测材料中的残余应力?
时间:2022-02-26 15:22:02   阅读

1、什么是残余应力

残余应力是工件在制造过程中,将受到来自各种工艺等因素的作用与影响;当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响就是残余应力。

从能量作功的角度来理解,外力使物体发生塑性变形时会导致物体内部发生变形,因而积累一部分能量;当外力消除后,内部应力分布不均匀的能量要进行释放,如果物体的脆性低,则物体会缓慢变形,脆性高则形成裂纹。

残余应力在机械制造中非常常见,往往各个工艺都会产生残余应力。不过,从本质上讲,产生残余应力的原因可以归结成三类:

第一类,不均匀的塑性变形;第二类,不均匀的温度变化;第三类,不均匀的相变。



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图  残余应力作用效果


2、残余应力的危害

从残余应力的分类可以看出,残余应力会引起物体缓慢变形,导致物体尺寸的改变,导致机械加工工件尺寸不合格,仪器生产中导致整台仪器丧失精度成为废品,铸造锻造工件出现裂纹甚至断裂,同时对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命等,也有着十分重要的影响。

铸件在冷却的过程中,由于工艺的不合理导致冷却不均匀而产生残余热应力导致铸件断裂。

热处理的淬火过程中,过冷奥氏体进行马氏体转变时容易导致材料断裂。


残余应力.jpg


3、残余应力的测量

01、有损应力测量法

1.1 盲孔法

盲孔法在1934年由德国学者MatharJ提出,现已经发展的较为成熟。其原理就是在被测工件的表面贴上应变花,并对工件打孔,孔周围应力松弛,而形成新的应力/应变场分布J;通过标定应变释放系数A、B,基于弹性力学原理可推算出工件原有残余应力及应变。


1.2 压痕法

压痕法是基于硬度测试原理发展起来的,是一种无损或微损的应力测量技术。其原理是局部载荷作用下,存在内应力构件会因应力叠加会产生位移和应变,测量出位移△Z和应变△ε,可推算出构件原有表面残余应力(一般的压痕直径和深度为1.2mm×0.2mm)。

压痕法测定时需要注意的问题包括:压痕测试区和周围塑性应变区控制,如果塑性应变区完全与测试区重合,则影响测量结果,塑性区完全隔绝,则测试灵敏度下降;压痕应变增量与残余应力的函数关系确立;标定实验和模拟计算,确立应变增量与材料特性之间的定量关系,以计算模拟代替标定。


1.3 切割法

切割法是将金属沿变形平面切开,精确测量切割面的变形轮廓,然后将测试轮廓进行拟合,将拟合结果作为有限元模型的边界条件进行弹性计算获得了内部垂直切割平面的应力分布,可以得到切割面应力的分布趋势和特征,适用于大块材料残余应力的定性测量。

切割法由于将结构件破坏,残余应力释放完全,测量精度高。可利用电阻应变计测量释放应力,间接得到样品内的初始残余应力。


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02、无损应力测量法

2.1 超声波法

超声波法是通过超声波在材料内部的传播特性,即拉应力引起声波传播时间变长声速变慢,压应力相反,利用应力引起的声双折射效应对应力进行测量。应力改变引起声速变化很微小,100MPa大约只引起声速0.1%的变化。临界折射纵波(LCR)是折射角为90度时的折射纵波,其对应力最敏感,应片也最为广泛。

2.2 磁性法

目前应用的磁性方法有两种:磁噪声法和磁应变法。磁噪声法测量基本原理是利用铁磁性物质的磁致伸缩效应。应力会导致铁磁性材料畴壁间距的改变,从而影响巴克豪森(磁感应强度B随磁场强度H改变呈现不连续的跳跃)发射信号的强弱。磁应变法是利用材料的磁各向异性进行应力测量,存在应力时磁导率会发生相应变化,测量时传感器与材料表面构成的磁回路磁阻变化,进而导致磁回路的磁通量发生变化。

磁应变法不能测大残余应力(大于300 MPa),此时应力与磁导率的关系呈非线性。磁性法设备小巧、测试步骤简单、测量速度快,但难以直接测得多点应力值,仅能测得单点处主应力差与磁测参数间的定量关系,通过水平或垂直的励磁方式来研究材料的磁特性和磁力间的关系,并建立与应力之间的定性、定量关系是该领域的研究热点。

该法测试材料种类仅限于测定如钢、铁等铁磁性材料中的应力;此外,与超声波法一样,磁性法虽可以测量材料内部应力,但测量结果受材料微观结构(空隙、空隙、裂纹等)干扰较大。后行业专家黄海鸿等人提出一种金属磁记忆检测技术,可以快速检测到构件的危险区域,并可通过磁记忆信号梯度值指示应力集中情况。


2.3 X射线衍射法

X射线法是由俄国学者于1929年提出,经过多年发展,理论与实际测定方法都较为成熟,是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法。

原理:X 射线衍射法测量残余应力是基于X 射线衍射理论。当一束波长为λ 的X 射线照射在晶体表面时,会在特定的角度(2θ)上接收到X 射线反射光的波峰,这就是X 射线衍射现象。


2.4 中子衍射法

中子衍射方法和 x射线衍射法原理类似,而中子穿透深度较大,因此可以探测大块材料内部 (厘米量级 )的残余应力分布。

中子衍射峰位的精确性受衍射强度的影响,在反应堆功率、衍射晶面和规范体积等一定的条件下,衍射强度主要取决于测试时间。

中子衍射测量残余应力耗时且费用昂贵,通常需要样品的标准体积较大(10mm3),且空间分辨率较差,对材料表层残余应力的测量无能为力 (>100um及以上区域 )。


4、残余应力的消除

既然残余应力危害这么多,那么行之有效的消除方法就显得十分必要了。消除方法有热处理、静载荷加压、振动时效和机械处理四种方法。

热处理法

热处理就是利用残余应力的热松弛效应消除或降低残余应力,一般采用退火、回火等方式进行处理。


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图  热处理之退火处理

静载荷加压

就是使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形来调整工件的残余应力。例如大型压力容器,在焊接之后,在其内部加压,即所谓的“胀形”,使焊接接头发生微量塑性变形,以减小焊接残余应力。


振动时效

英文叫做Vibration Stress Relief,简称VSR。振动时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法,是通过振动,使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候,使材料发生微量的塑性变形,从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻。 


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图  应变可量化式振动时效系统

机械处理

就是利用物体表面产生很小的塑性变形的方法来减小残余应力,包括零件彼此碰撞、表面滚压、表面拉制以及模具中表面校形精压等。例如打铁的好处之一就是消除残余应力。


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图  打铁锻造