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構(gòu)件的殘余應(yīng)力產(chǎn)生及檢測(cè)

一、前言

（1）應(yīng)力概念

通常講，一個(gè)物體，在沒(méi)有外力和外力矩作用、溫度達(dá)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(guó)學(xué)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(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)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(gè)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(gè)原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。

在工程上通常所說(shuō)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(cè)量技術(shù)zui為完善，它們對(duì)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(xí)慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過(guò)程來(lái)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(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞強(qiáng)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(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長(zhǎng)零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失去尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開(kāi)裂等早期失效事故。

（3）應(yīng)力的產(chǎn)生

在機(jī)械制造中，各種工藝過(guò)程往往都會(huì)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(duì)工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對(duì)其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)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(wèn)題。

通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：

①自然時(shí)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(rèn)為，經(jīng)過(guò)一年自然時(shí)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(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一般不采用。

②熱時(shí)效

熱時(shí)效是傳統(tǒng)的時(shí)效方法，利用熱處理中的退火技術(shù)，將工件加熱到500～650℃進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。從理論上講采用熱時(shí)效，只要退火溫度和時(shí)間適宜，應(yīng)力可以*消除。但在實(shí)際生產(chǎn)中通常可以消除殘余應(yīng)力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。

③振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)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(jī)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(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。其特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用范圍廣、能源消耗少、設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)便，因此振動(dòng)時(shí)效在70年代從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)后在國(guó)內(nèi)被大力推廣。

④靜態(tài)過(guò)載法   

靜態(tài)過(guò)載法是以靜力或靜力矩的形式，暫時(shí)加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時(shí)間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。用于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來(lái)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(guò)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(shí)間。

特別指出，靜態(tài)過(guò)載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。

⑤熱沖擊時(shí)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(shí)效工藝法。其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過(guò)程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過(guò)材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。

⑥超聲波時(shí)效法

超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。

（5）應(yīng)力檢測(cè)方法

檢測(cè)振動(dòng)時(shí)效的效果實(shí)際上就是檢驗(yàn)工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試方法總的分為兩大類。一類是定量測(cè)量：如盲孔法、X射線法、磁測(cè)法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是定性測(cè)試：如振動(dòng)參數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。

①振動(dòng)參數(shù)曲線法

一項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效工藝是否成功，起zui后的檢測(cè)方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測(cè)試。但在振動(dòng)處理過(guò)程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜的測(cè)試過(guò)程。通常在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過(guò)程中往往采用振動(dòng)時(shí)效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時(shí)間參數(shù)曲線測(cè)試法，并按JB/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)中第4.1條款或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)中的第6.2條款驗(yàn)收來(lái)實(shí)現(xiàn)。

A、幅頻特性曲線掃描法

在振動(dòng)處理過(guò)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(shí)間曲線監(jiān)測(cè)法

幅-頻特性曲線是在振動(dòng)處理的前后進(jìn)行的，且頻率在不斷的改變。有時(shí)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(jí)）。采用頻率不變的同時(shí)畫(huà)出振幅隨時(shí)間變化的曲線。這種方法既可以通過(guò)振幅的變化來(lái)控制振動(dòng)處理的有效時(shí)間，又可通過(guò)振幅的變化量來(lái)檢測(cè)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(cè)試方法是鉆盲孔法。就是在被測(cè)點(diǎn)上鉆一小孔，使被測(cè)點(diǎn)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(jì)測(cè)得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來(lái)。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(cè)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(duì)構(gòu)件尺寸精度的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測(cè)構(gòu)件尺寸精度隨時(shí)間而發(fā)生的變化量，與熱時(shí)效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構(gòu)件在靜、動(dòng)載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統(tǒng)工藝（熱時(shí)效）相比，以鑒定振動(dòng)時(shí)效工藝的可行性。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/SPAN>

（1）檢測(cè)工件表面及內(nèi)部的綜合殘余應(yīng)力變化量。

（2）檢測(cè)工件在接受某種時(shí)效處理前后的殘余應(yīng)力變化量，以運(yùn)算其應(yīng)力消除率。
三、實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計(jì)測(cè)得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來(lái)。鉆孔的直徑和深度都不大，不會(huì)影響被測(cè)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(dāng)殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布比較均勻時(shí)，可采用一次鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的量值。

用圖3.6表示被測(cè)點(diǎn)o附近的應(yīng)力狀態(tài)：σ1和σ2為о點(diǎn)的殘余主應(yīng)力。在距被測(cè)點(diǎn)半徑為r的Р點(diǎn)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(xué)原理可得P點(diǎn)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(cè)殘余應(yīng)力時(shí)，要在被測(cè)點(diǎn)о處鉆一半徑為a的小孔以釋放應(yīng)力。由彈性力學(xué)可知，鉆孔后P點(diǎn)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(gè)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(gè)方向上貼應(yīng)變片， 由上式可得三個(gè)方程，即可求出σ1，σ2和Ф來(lái)。為了計(jì)算方便，三個(gè)應(yīng)變片之間的夾角采用標(biāo)準(zhǔn)角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測(cè)得的三個(gè)應(yīng)變分別為ε0，ε45和ε90即：

在有些情況下，公式（12）將會(huì)有所變化：

1.如果被測(cè)點(diǎn)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(cè)出應(yīng)變?chǔ)舘，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(gè)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(guò)彈性力學(xué)理論推倒而來(lái)的，式中的A、B值是通過(guò)計(jì)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(guò)在拉伸試件上標(biāo)定釋放應(yīng)變與應(yīng)力的比例系數(shù)后，再計(jì)算殘余應(yīng)力，這種方法稱做實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法。

（二）實(shí)驗(yàn)標(biāo)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(yàn)機(jī)上將沒(méi)有鉆孔的試件逐級(jí)加載，計(jì)算出試件的應(yīng)力σ，測(cè)出各級(jí)荷載下的應(yīng)變?chǔ)拧?和ε′2。然后取下試件用設(shè)備在試件部位上?？缀螅僦匦吕?，并測(cè)出?？缀蟮膽?yīng)變值ε″1和ε″2。

將兩種情況下同一級(jí)荷栽產(chǎn)生的應(yīng)變差求出后可見(jiàn)，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(shuō)明標(biāo)定法得到的A′,B′相當(dāng)于理論公式中的A,B。因此只要通過(guò)標(biāo)定法測(cè)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(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力σ1和σ2及其夾角Ф的數(shù)值。

當(dāng)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力沿厚度分布不均勻時(shí)，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(cè)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(cè)點(diǎn)鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計(jì)所測(cè)出的釋放應(yīng)變值很小，必須采用高精度的應(yīng)變計(jì)。為了不斷提高測(cè)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(cè)試誤差。一般來(lái)說(shuō)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(jiǎn)單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時(shí)要求對(duì)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(shí)現(xiàn)上述要求，借助4個(gè)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(wàn)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(cè)表面的處理要符合應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)要求，直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地粘貼在測(cè)點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。

②鉆孔時(shí)要保證鉆桿與測(cè)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(shí)要穩(wěn)，機(jī)座不能抖動(dòng)。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?cè)龃笫箿y(cè)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(wú)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(dòng)Al2O3或SiO2粉末，通過(guò)回轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花中心打孔標(biāo)志，噴吹表面而得一盲孔。這種方法實(shí)際上是一種磨削過(guò)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(shí)引起的附加應(yīng)力較小，噴沙打孔法的測(cè)量精度較高。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1. 準(zhǔn)備檢測(cè)器材：靜態(tài)應(yīng)變儀，三根信號(hào)線，一根信號(hào)補(bǔ)償線，打孔裝置，鉆頭、手持式磨光機(jī)，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(xì)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(chǎng)環(huán)境，保證檢測(cè)試驗(yàn)的精度。
3. 選擇應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，一般選6~10個(gè)點(diǎn)。
4. 打磨測(cè)試點(diǎn)。先用砂輪進(jìn)行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，zui后用細(xì)砂紙精打磨，確保表面光滑。
5. 用乙醇清潔劑清潔測(cè)試點(diǎn)；
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(diǎn)位置。（每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分開(kāi)貼兩個(gè)應(yīng)變片，分兩組檢測(cè)，振前測(cè)試*組測(cè)試點(diǎn)中的一個(gè)應(yīng)變片，振后測(cè)試第二組）
7. 將測(cè)試線輕輕拉起，小心拉斷，使測(cè)試先不與構(gòu)件接觸
8. 粘貼接線端子（每點(diǎn)三個(gè)方向）
9. 將測(cè)試先焊于接線端子上0°、45°、90°（每個(gè)角度有兩根測(cè)試線）

10、將剩余的測(cè)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(bǔ)償線接在另外某一點(diǎn)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(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)，接線端子上

將補(bǔ)償線暫時(shí)焊接在一快不用的接線端子上（當(dāng)測(cè)試此點(diǎn)時(shí)，將補(bǔ)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(diǎn)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(cè)試片中心）

15、鉆孔同時(shí)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(gè)孔的振前應(yīng)變值。

16、起振，對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。

17、處理完畢，再對(duì)各點(diǎn)的第二組應(yīng)變片進(jìn)行打孔檢測(cè)數(shù)值。

18、記錄振后應(yīng)變數(shù)值；

19、全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果均應(yīng)列表表示，按公式計(jì)算殘余應(yīng)力的大小和方向，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

20、將數(shù)據(jù)線拆除，清理現(xiàn)場(chǎng)

21、將數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)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(cè)報(bào)告。

五、結(jié)束語(yǔ)

目前上關(guān)于殘余應(yīng)力的測(cè)量方法多種多樣，就機(jī)械方法中有盲孔法、切割法、套環(huán)法，其次還有針對(duì)一定對(duì)象的環(huán)芯法。切割法和套環(huán)法測(cè)量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，所以盲孔法因其試驗(yàn)破壞性小、適用性強(qiáng)，數(shù)據(jù)檢測(cè)精度性較高，試驗(yàn)過(guò)程及操作較為簡(jiǎn)單，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的要求也相對(duì)寬松等特點(diǎn)被各個(gè)國(guó)家普遍采用。