残余应力检测

李灵光各种机械构件在制造过程中(如铸造、锻压、焊接、热处理等)都将引起残余应力。在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下,构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及形状尺寸的稳定性都将大大下降。同时，在材料表面积聚的残余应力会使材料表面形成表面裂纹或者近表面裂纹，这种隐藏在材料和构件近表面的缺陷往往是导致断裂的起点，更具隐蔽性和危险性。因此分析残余应力的产生机理、探究有效的残余应力检测方法对改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。残余应力的检测技术始于20世纪30年代,发展至今共形成了数十种检测方法。残余应力的检测方法可分为有损检测法和无损检测法。有损检测法主要有盲孔法、环芯法和云纹干涉法等。无损检测法主要包括磁弹性法、X射线衍射法、超声波法和扫描电子声显微镜等。下面重点介绍无损检测法。一、磁弹性法利用磁致伸缩效应来测定应力,当应力变化时,由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化,这样就会引起检测线圈中的电流变化,由此变化可以测出应力的变化。二、X射线衍射法其最基本的思路是,认为一定应力状态引起的晶格应变和按弹性理论求出的宏观应变是一致的。而晶格应变可以通过布拉格方程由X射线衍射技术测出,这样就可以从测得的晶格应变来推知宏观应力。具体有三种方法：1.sin2ψ法2.Taylor级数展开法3.Laplace变换三、超声波法当没有应力作用时超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度不同,因此可利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力。实验证明：声速随应力的变化呈较理想的线性关系。利用超声波进行应力测量是依据声弹性效应，即应变引起的超声波速度的变化。按照声弹性理论，只要变形处在材料的弹性范围之内，速度与应力即呈线性变化。四、扫描电子声显微镜(SEAM)SEAM技术基于热波成像原理,利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像。一、磁弹性法它的最大特点是测量速度快,非接触测量,适合现场,但测试结果受很多因素影响,可靠性和精度差,量值标定困难,对材质较敏感,且仅能用于铁磁材料。磁性法都是需要外部激励磁场来工作,因此带来了磁化不均匀,设备笨重,消耗能源,剩磁和磁污染等问题。二、X射线衍射法它具体特点如下:1.穿透深度极浅，一般只能测试深度在10μm左右的应力(表面应力)。2.可进行点应力研究，被测面直径可小到1~2mm。3.测量的仅仅是弹性应变而不包含塑性应变。4.精度较高。5.要求设备比较复杂,仅适用于结晶材料,且对测试表面的要求也比较高。三、超声波法它具有如下特点：1.超声波具有光波一样良好的方向性，可以实行定向发射。2.对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。3.能测定实际构件的表面应力和内部应力。4.超声测量仪器方便携带到室外或现场使用。5.超声法在测量应力时，需要做标定试验。6.超声波法测定的结果要受到材料性能，工件形状和组织结构的影响，测量的灵敏度较低。7.对表层或内部应力急剧变化的构件和形状复杂受三向应力的构件,尚待解决的问题较多。四、扫描电子声显微镜(SEAM)它的穿透能力较强,可用于测定表面残余应力技术;分层成像能力独特,更揭示了残余应力-深度分布状况,使测定残余应力三维分布成为可能。一、磁弹性法在研究方面，R.Langman早在上世纪80年代已利用该方法测量火车车轮的残余应力；张卫民等开展了45#钢拉伸磁测实验，所得结果与X射线测量结果进行了比较，并试图从微观变形机理上解释应力集中和微损伤处磁记忆信号的特征及其产生的原因。在检测设备方面，俄罗斯动力诊断公司研制了TSC系列磁记忆检测仪；值得一提的是，最近英国能源和石油公司研制了新一代磁力检测仪(MAPS)，较传统磁力检测仪，该仪器发明者由于建立了一些关联磁导率(DEP信号)与应力大小之间的模型，所以理论上能同时确定主应力大小和方向而非传统意义上的主应力差和主应力方向；此外，我国相关部门也研制了一些智能型的磁性应力检测仪，并成功应用于工程实际中。磁检测残余应力目前还存在许多理论和技术问题需要解决。主要包括三方面：1）该方法理论上只能确定平面问题两个主应力方向和二者之差，如何精确得到两个主应力值是需要解决的问题；2）该方法理论上只能解决平面问题，如何精确得到三向主应力值是今后要解决的问题；3）相应的智能测试设备及后续分析软件的研发。二、X射线衍射法周上祺等利用X射线在铍中穿透深度大这一特点,提出了适合于测定铍材内部三维残余应力的X射线断层扫描法。今后这一领域的研究工作仍将十分艰巨。如Taylor级数法中展开式取至二次项甚至三次项的数学处理方法;Laplace法能否采用单一X射线源按侧倾法通过改变方位角获取深度信息用以计算应力分布;断层扫描法测定铍材残余应力的计算模型、实验装置及其在低原子序数材料领域内的推广;以及能否将X射线结构深度分布的分析方法移植到残余应力分布的分析中来等。三、超声波法1967年,CrecraftDI发表了利用超声波测量工件应力和残余应力的文章,描述了超声波的双折射现象与在进行光弹应变分析中观测到的光双折射现象类似。该方法用于测量各向同性介质中的应力效果良好。BachF和AskegardV研究了双轴应力场中声波的应用,以及双轴和三轴应力场中应力与超声波速度间相互关系的一般表达式。纵观国内外的发展,其趋势可归纳如下：1)检测技术的计算机化和自动化；2)精确测量时间差。超声波的声弹效应是一种弱效应,应力引起的声速变化很小。因此,精确测量时间变化量很关键。3)声弹性力学、超声波传播机理的基础理论研究。4)研究对象、应用领域的拓展与渗透。四、扫描电子声显微镜(SEAM)由于从电子声信号的产生到接受是一个复杂的物理过程,关于残余应力分布对电子声信号作用的机理及其理论模型正在进一步的探讨之中。