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    殘余應力測試方法的應用

    發表時間 : 2017/09/25 14:03:00

    一、殘余應力簡介

    固體材料在生產制造和工作過程中,不可避免的會受到各種加工工藝和服役環境的作用,這些過程中都會產生殘余應力。殘余應力是指在構件加工或成形過程中,由于不均勻的應力場、應變場、溫度場和組織不均勻性,在形變后的變形體內保留下來的應力,是材料的固有屬性。

    按照殘余應力平衡范圍的不同,通??蓪⑵浞譃槿N:

    (1)第一類內應力是宏觀殘余應力,這類應力是由工件的宏觀變形不均勻而引起的,嚴重影響了工件的尺寸穩定性和使用安全性。

    (2)第二類內應力是微觀殘余應力,這類應力是由材料的晶?;騺喚ЯVg的不均勻性變形引起的,殘余應力過大會產生局部的微裂紋,并逐漸向大裂紋擴展。

    (3)第三類內應力是點陣畸變,這類殘余應力是工件在發生塑性變形時,形成的大量點陣缺陷引起的。

    通常工程上所說的殘余應力指的是第一類宏觀殘余應力。

    殘余應力的存在不僅會降低工件靜強度和疲勞強度,使其在制造和使用時產生變形和開裂等工藝缺陷,而且在制造后的自然釋放過程中使材料的抗腐蝕能力受到影響。

    二、殘余應力檢測方法概述

    殘余應力的存在大多具有危害性,因此殘余應力的檢測經過多年的發展,如今已形成無損、微損傷和有損傷等三類檢測方法,如表1所示。其中,有損傷與微損傷檢測法又可稱為機械檢測法。無損檢測法又可稱為物理檢測法,包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法、磁性法和渦流法,這些方法通常是測量一些與應力有關的物理參數。

    1

    傳統分類

    按有無損傷分類

    檢測方法

    物理檢測法

    無損檢測法

    X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、渦流法、超聲波法

    機械檢測法

    微損傷檢測法

    盲孔法、環芯法、深孔法、曲率法、剝層應變法

    有損傷檢測法

    切片法、輪廓法、切除法、分裂法、開槽法

    由于有損傷和微損傷檢測法都或多或少的造成被測件損傷,這些損傷對于服役狀態下的工件或成品零部件都是致命的。因此,機械檢測法不能有效反映成品零部件的殘余應力狀態,更不能實時檢測或監測服役狀態下的工件殘余應力或載荷應力。

    殘余應力無損檢測方法具有先天優勢,它在不損害和不影響被測件使用性能的前提下,檢測被檢對象中是否存在殘余應力,給出殘余應力的大小、方向和位置等信息。

    射線(X/中子)衍射檢測殘余應力方法的測量精度很高(高達±5MPa),檢測的是微觀殘余應力,國內外已建立相關標準且在廣泛使用,但是其檢測區域僅限于材料表面和亞表面的晶格結構,檢測時要求對材料表面要化學清洗致裸露出晶體,檢測結果的準確性受晶粒尺寸、表面粗糙度和表面曲率等因素影響,也受到儀器設備體積重量制約和操作復雜性的限制,不適于現場檢測應用。

    巴克豪森效應檢測殘余應力檢測的是鐵磁性材料中存在的宏觀殘余應力,這種方法只適用于鐵磁材料,檢測精度受材料顯微結構的影響較大,還受位移間隙、表面粗糙度、材料剩磁和環境磁場等因素的影響,目前定量校準和殘余應力量化檢測困難,實際現場應用也受到一定限制。

    由于上述各殘余應力檢測方法都存在一定的局限性,因此利用超聲波檢測殘余應力就進入了國內外各個學者的研究課題之中。

    三、殘余應力超聲檢測技術簡介

    超聲波檢測材料殘余應力是利用超聲波在含有殘余應力的材料中傳播時,傳播速度、頻率、振幅、相位和能量等參量會發生變化,具體參量變化如下:

         聲速與應力的關系,即聲彈性效應,是通過測量超聲在有應力工件內聲速的變化來反映出應力大??;

        超聲非線性系數與應力的關系,應力與由應力導致的非線性超聲高次諧波系數呈一定關系;

        角度的測量,縱波斜入射產生表面波的入射角與殘余應力有線性關系;

        聲衰減;

        聲束相互作用;

        頻譜測定,橫波受應力作用分解為快慢兩束橫波,兩橫波傳播時相互干

    涉,通過測量兩橫波的合成回波的功率譜來表征殘余應力分布。

    目前,上述方法③⑥由于所需機械裝置復雜、檢測精度差而逐漸不被研究,方法①通過聲彈性效應研究應力的檢測成為最主要和實用的途徑。相比其它殘余應力無損檢測方法,超聲波法具有檢測速度快、人體無輻射傷害、成本低、擁有較佳的空間分辨率和較大范圍的檢測深度、可實現現場手持便于攜帶、能夠完成表面及次表面宏觀殘余應力大小與拉壓狀態的檢測等諸多優勢。目前該技術已經廣泛應用于軍工、航空航天、壓力容器、石油、水電、高鐵等領域,已經完成了杭州G20會議鋼結構、北京首都新機場鋼結構、水力發電機組轉輪等大型項目的測試。


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    1 管道焊接超聲殘余應力檢測現場圖

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                                                          圖2:車體焊接超聲殘余應力檢測

    五、結語

    機械構件在冷、熱加工過程中都會不同程度地產生殘余應力,殘余應力的存在對構件的靜態強度、疲勞強度、結構變形和使用壽命等方面有著重大的影響,因此,在構件的結構設計、制造工藝和服役過程中必須予以充分重視;利用先進的殘余應力超聲檢測技術檢測構件、設備在制造和使用過程中的殘余應力值,為下一步消除應力、調控殘余應力提供依據和檢測手段,對于保障構件和設備生產制造、安全使用、延長壽命等方面都有極其重要的理論和現實意義。


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