残余应力检测

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）

一、前言

（1）应力概念

通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。

按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：

第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。

第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。

第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。

在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。

（2）应力作用

机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。

（3）应力的产生

在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：

1.不均匀的塑性变形；

2.不均匀的温度变化；

3.不均匀的相变

（4）应力的调整

针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。

通常调整残余应力的方法有：

①自然时效

把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。

②热时效

热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力

可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。

③振动时效

振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后在国内被大力推广。

④静态过载法

静态过载法是以静力或静力矩的形式，暂时加载于构件上，并在这种载荷下保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，才能消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决于附加应力的大小及应力下保持时间。特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。

⑤热冲击时效法

1970年前后出现的一种新颖的稳定工件尺寸精度的时效工艺法。其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

⑥超声波时效法

超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广，该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。

（5）应力检测方法

检测振动时效的效果实际上就是检验工件中残余应力是否得以消除和均化，目前对残余应力的测试方法总的分为两大类。一类是定量测量：如盲孔法、X射线法、磁测法、喷砂打孔法、切割法、套环法等；另一类是定性测试：如振动参数曲线法、尺寸精度稳定性法等。

①振动参数曲线法

一项振动时效工艺是否成功，起最后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但在振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。

A、幅频特性曲线扫描法

在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，共振峰的增高、频带变窄。

B、振幅-时间曲线监测法

幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小（偏心最小的档级）。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。这种方法既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情况。

②盲孔法

应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。就是在被测点上钻一小孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放

的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种方法具有较好的精度，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法。

③尺寸精度稳定法

尺寸精度稳定法是根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内容：一方面是观测构件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相比较；另一方面是要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度变化量，同样与传统工艺（热时效）相比，以鉴定振动时效工艺的可行性。

二、实验目的

（1）检测工件表面及内部的综合残余应力变化量。

（2）检测工件在接受某种时效处理前后的残余应力变化量，以运算其应力消除率。

三、实验原理

目前在焊接件和铸件上应用的较多的残余应力测量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。钻孔的直径和深度都不大，不会影响被测构件的正常使用。并且这种方法具有较高的精度，因此它已成为应用比较广泛的方法。

（一）理论公式的推导

当残余应力沿厚度方向的分布比较均匀时，可采用一次钻孔法测量残余应力的量值。

用图3.6表示被测点o附近的应力状态：σ1和σ2为о点的残余主应力。在距被测点半径为r的Р点处，σr和σt分别表示钻孔释放径向应力和切向应力。并且σr和σ1的夹角为ф。

根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力σ′r和σ′t与残余主应力σ1和σ2的关系如式（4）。

钻孔法测残余应力时，要在被测点о处钻一半径为a的小孔以释放应力。由弹性力学可知，钻孔后P点处的应力σ″r和σ″t分别为式（5）

在一般情况下，主应力方向是未知的则上式中含有三个未知数σ1，σ2和Ф。如果在与主应力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三个方向上贴应变片，由上式可得三个方程，即可求出σ1，σ2和Ф来。为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90即：

在有些情况下，公式（12）将会有所变化：

1.如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变εo，把Ф=0, σ2=0代入（11）式得

2.如果残余应力σ1和σ2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，如图

3.7所示，Φ=0和Φ=90。则由（11）式可得：

公式（12）是通过弹性力学理论推倒而来的，式中的A、B值是通过计算得到的。因此上述方法被称做理论公式法。还有一种方法就是通过在拉伸试件上标定释放应变与应力的比例系数后，再计算残余应力，这种方法称做实验标定法。

（二）实验标定法

如图3.9所示，在距孔心r处贴片。为消除边缘效应的影响，取宽度b大于a的4-5倍的试件。在材料试验机上将没有钻孔的试件逐级加载，计算出试件的应力σ，测出各级荷载下的应变ε′1和ε′2。然后取下试件用专用设备在试件指定部位上专孔后，再重新拉伸，并测出专孔后的应变值ε″1和ε″2。

将两种情况下同一级荷栽产生的应变差求出后可见，钻孔前后的应变差与应力成正比，即：

（21）式与（13）式具有完全相同的形式，它说明标定法得到的A′,B′相当于理论公式中的A,B。因此只要通过标定法测得A′和B′后代入公式（12）中，即可得到主应力方向未知的测点的残余应力σ1和σ2及其夹角Ф的数值。

当构件中的残余应力沿厚度分布不均匀时，可采用分层钻孔法求得各深度的残余应力。其方法是：等深度地逐层钻孔测定每次的应力释放量。如果已知主应力的方向，则有：

被测点钻一小孔只能使残余应力局部释放，因此应变计所测出的释放应变值很小，必须采用高精度的应变计。为了不断提高测量精度，还必须十分注意产生误差的各种因素，其中最主要的是钻孔设备的精度和钻孔技术，还有应变测试误差。一般来说钻孔深度 h≥2a 即可。

（三）钻孔设备及钻孔要求

（1）.钻孔设备的结构应该简单，便于携带，易于固定在构件上，同时要求对中方便，钻孔深度易于控制，并能适应在各种曲面上工作。图3.10为小孔钻的结构图，这种钻具能较好地实现上述要求，借助4个可调节X、Y方向的位置和上、下位置，以保持钻孔垂直于工件表面，用万向节与可调速手电钻连接施行钻孔。

（2）.钻孔的技术要求：

①被测表面的处理要符合应变测量的技术要求，直角应变片应用502胶水准确地粘贴在测点位置上，并用胶带覆盖好丝栅，防止铁屑破坏丝栅。

②钻孔时要保证钻杆与测量表面垂直，钻孔中心偏差应控制在±0.025 mm以内。

③钻孔时要稳，机座不能抖动。钻孔速度要低，钻孔速度快易导致应变片的温度漂移，孔周切削应变增大使测量不稳定。为消除切削应变的影响，可先采用小钻头钻孔然后再用铣刀洗孔。

如果无法使用小孔钻，可以使用喷沙打孔法打一盲孔，喷沙打孔的方法就是利用压缩空气带动Al2O3或SiO2粉末，通过回转的喷嘴对准应变花中心打孔标志，喷吹表面而得一盲孔。这种方法实际上是一种磨削过程，其产生的热量由气流冷却，加之切削量很小，因此打孔时引起的附加应力较小，喷沙打孔法的测量精度较高。

四、实验步骤

1、准备检测器材：静态应变仪，三根信号线，一根信号补偿线，打孔装置，钻

头、手持式磨光机，直角应变片，瞬间黏合剂（502或406），乙醇清洁剂，棉球，粗砂皮，精细砂纸，剪刀，镊子，电烙铁，接线端子，稳压电源，数据记录卡，示意图绘制卡，常用工具箱。

2、调整工件位置及整理现场环境，保证检测试验的精度。

3、选择应力测试点，一般选6~10个点。

4、打磨测试点。先用砂轮进行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用细砂纸精

打磨，确保表面光滑。

5、用乙醇清洁剂清洁测试点；

6、使用瞬间黏合剂粘贴应变片并按紧，贴片后在示意图卡上绘出工件上各点位

置。（每个测试点分开贴两个应变片，分两组检测，振前测试第一组测试点中的一个应变片，振后测试第二组）

7、将测试线轻轻拉起，小心拉断，使测试先不与构件接触

8、粘贴接线端子（每点三个方向）

9、将测试先焊于接线端子上0°、45°、90°（每个角度有两根测试线）

10、将剩余的测试线剪断

11、接数据线

0°接在CH1上的A、B

45°接在CH2上的A、B

90°接在CH3上的A、B

补偿线接在另外某一点的A、B

12、电烙铁焊接数据线

将0°，45°，90°数据线焊于对应的测试点，接线端子上

将补偿线暂时焊接在一快不用的接线端子上（当测试此点时，将补偿线换一位置焊好）

13、将静态应变仪清零，通道1，2，3，（单点平衡）

14、将打孔装置接入到稳压电源24伏，手持钻枪保持平衡、匀速的钻入（须钻在测试片中心）

15、钻孔同时由助手观察并记录，静态应变仪记录振前值。依次记录每个孔的振前应变值。

16、起振，对被测工件进行振动时效处理。

17、处理完毕，再对各点的第二组应变片进行打孔检测数值。

18、记录振后应变数值；

19、全部实验数据与测量结果均应列表表示，按公式计算残余应力的大小和方向，并对测量结果进行误差分析。

20、将数据线拆除，清理现场

21、将数据输入电脑进行软件换算，得出振前、振后的应力变化表

22、拟定盲孔法残余应力检测报告。

五、结束语

目前国际上关于残余应力的测量方法多种多样，就机械方法中有盲孔法、切割法、套环法，其次还有针对一定对象的环芯法。切割法和套环法测量残余应力具有较大的破坏性，所以盲孔法因其试验破坏性小、适用性强，数据检测精度性较高，试验过程及操作较为简单，对试验环境的要求也相对宽松等特点被各个国家普遍采用。