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金屬材料殘餘應力的測試方法——無損法

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金屬材料殘餘應力的測試方法——無損法

發布日期:2018-04-08 作者:南通香蕉视频app污搜索電子有限公司 點擊:

金屬材料殘餘應力的測試方法——無損法


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壓痕應變法

1

定義


壓痕應變法是一種利用球形壓痕誘導產生的應變增量測定殘餘應力的方法。

2

特點


無損、操作簡單、適用範圍廣、精度高等。

3

缺點


隻能用於平麵應力的測定,對測量數據的處理比較複雜。


4

如何測定殘餘應力


在平麵應力場中,由球形壓痕產生的材料流變會引起受力材料的鬆弛變形。壓應力場中的材料會延伸,拉應力場中的材料會壓縮。同時壓痕自身也會受到殘餘應力場的影響發生變形,這兩種變形的疊加稱之為疊加應變增量,簡稱為應變增量。


研究表明,一定尺寸的球形壓痕在殘餘應力場中產生的應變增量可用殘餘應力產生的殘餘應變的多項式表示,


即:



式中:B為無殘餘應力條件下的應變增量。A1、A2、A3為壓痕應變法應力標定參數。


在標定常數已知的情況下可以通過應變增量求得殘餘應力。關於壓痕應變的國內相關標準有GB/T 24179-2009《金屬材料 殘餘應力測定 壓痕應變法》。標準中指出,可以將應變增量與彈性應變之間的關係簡化為分段線性關係以有利於數據處理。



超聲法

1

應用


由於超聲波的方向性好、穿透能力強、可以沿試樣表麵傳播,因此可以檢測試樣表麵以及大體積範圍的內部殘餘應力,環形件殘餘應力測定也十分適用,故而,在焊縫、齒輪、螺栓、鋼軌等方麵有著重要的實際應用。

2

優點


便攜,方便與現場在線測試。

3

使用注意


超聲波速度受材料各向異性、環境溫度、探頭與構件之間聲耦合較大,因此超聲法在測定應力時需做標定試驗。


超聲法主要應用於大範圍體積內殘餘應力的測量,無法獲得局部殘餘應力的大小與狀態分布。



4

分類


根據原理不同,超聲法測定殘餘應力又可分為六種:臨界折射縱波法、反射縱波法、聲雙折射法、表麵波法、電磁超聲法、激光超聲法。其中較為成熟的是臨界折射縱波法。

5

國家標準


超聲法的相關國家標準有GB/T 32073-2015 《無損檢測 殘餘應力超聲臨界折射縱波檢測方法》。



X射線衍射法

1

發展


X射線法是由俄國學者於1929年提出,經過多年發展,理論與實際測定方法都較為成熟,是目前應用最為廣泛的一種無損殘餘應力測試方法。

2

簡介


在X射線應力測定中建立如圖1所示的坐標係統。圖中OS1S2S3為試樣坐標係統,OSϕ為待應力方向。OL1L2L3為實驗室坐標係統。



圖1 殘餘應力測量坐標係示意圖

3

標準


依據X射線衍射法的原理,歐盟、美國材料協會等組織機構都製定了相關標準,例如ASTM E2860-2012 Standard Test Method for Residual Stress Measurement by X-ray Diffraction for Bearing Steels,EN 15305-2008 Non-destrutive Testing-Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction,ASTM E1426-2014 Standard Test Method for Determining the X-ray Elastic Constants for Use in the Measurement of Residual Stress Using X-ray Diffraction Techniques 等。


基於此,我國現行標準GB/T 7704-2008顯然不夠完善,在測定原理、方法、儀器選擇和數據處理等多方麵都存在有待改進的地方。在新修訂標準GB/T 7704-20xx中,主要參考歐盟最新標準EN 15305-2008以及其他相關文獻,對GB/T 7704-2008進行了較大的修改與完善。在保證與國際標準一致的前提下,使之更適合我國試驗室現狀。


目前新版GB/T 7704-20xx新標準已經修訂完畢,最新修訂的GB/T 7704中增加了大量術語和定義(三維應力、設備、方法相關),使得過去一些含糊不清的描述表達變得規範化。為了使標準的應用更為廣泛,新國標中增加了三維殘餘應力的理論計算方法以及具體測定流程。


根據衍射裝置的幾何布置不同,GB/T 7704-20xx新標準中將應力測定方法分為7類,分別是:同傾固定ψ0法(ω法)、同傾固定ψ法(θ-2θ掃描法)、側傾法(χ法)、雙線陣探測器ω法、雙線陣探測器側傾法(修正χ法)、側傾固定ψ法(θ-θ掃描ψ法)、粗晶材料擺動法。不同方法的衍射儀的原理和結構如圖2-圖6所示。


擺動法是在前麵方法的基礎上使X射線管和探測器在ψ平麵內左右回擺一定的角度來增加材料中參加衍射的晶粒數的一種方法,主要應用於解決粗晶材料的應力測定問題。

  

cosα方法是一種新的X射線測定殘餘應力的方法,α指德拜環上的任一角度。當材料中存在殘餘應力時,德拜環半徑會發生變化,如7所示。在cosα方法中,德拜環通過麵探測器進行接收,因此待測平麵上α=0~360°上的應變可以快速的測定出來。


與方法相比,cosα方法是基於德拜環的分布來計算殘餘應力,因而具有諸多優點。基於德拜環的方法可以獲得X射線在給定入射角的全部衍射德拜環,即提高了測定速率,又擺脫了測角儀的束縛,擴大了傳統X射線法測定殘餘應力的應用範圍,在整個德拜環上可以采集多個數據點,進行數據擬合時誤差更小,測定數據可靠性更好。cosα方法適用於現場複雜場景下的殘餘應力測定,是最具有發展潛力的一種測試方法。cosα方法存在的問題是檢測設備剛推向市場,沒有普及,缺乏相關標準和驗證。



同步輻射法、中子衍射法


中子衍射法測定殘餘應力的原理與X射線法的一致,不同的是,中子的穿透能力更強,對於大多數工程材料而言可以達到厘米級別,因此中子衍射法可以測得試樣內部更深處的應力分布。




但是中子源的建造以及運行費用昂貴,無法進行現場實時測定,因此中子衍射法目前主要應用於工程和基礎科學研究,相關的測試標準有:ISO/TS 21432:2005 Non-destructive Testing-Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Neutron Diffraction以及等同采用的國標GB/T 26140-2010《無損檢測 測量殘餘應力的中子衍射方法》。



問題與展望


殘餘應力對於工件質量、壽命有著重要影響,其測定理論與方法也多種多樣。


隨著技術條件的進步,殘餘應力的測定也變得越發簡單、精確,例如從位敏探測器升級到線陣探測器,結合機器人可以靈活地對不同的測試位置進行測定,測定的效率從數十分鍾縮減到數十秒鍾,實現了測定效率的極大提高。


但是,不同的殘餘應力測定方法的適用範圍有著較大的差距,因此需要根據相關技術要求來選擇,如精度、範圍、試樣破壞性以及現場條件等。


根據目前殘餘應力測定的標準以及技術手段來推斷,未來無損法測定殘餘應力的發展空間更大。為了使殘餘應力測定更好地滿足逐漸提高的精度需求和日益複雜的工況環境,更好地服務於相關製造業的發展,如下5個問題應當重點關注。


(1)X射線法測定殘餘應力中,采用麵探測儀的cosα方法在固定ψ0下單次曝光即可得到衍射角的變化,從而計算出待測殘餘應力,其測定速度更高,數據可靠性高,應用範圍更廣泛,應大力推動其設備製造以及相關標準製定。


(2)各種設備(理論)測定結果存在一致性問題。在實驗室能力驗證活動中,由於缺少相關權威認證機構認可的標準樣品,理論實驗方案尤其是三維殘餘應力測定的驗證工作開展緩慢,實驗室認可活動也存在較大困難。


(3)不同設備的適用範圍差異巨大,有些是原子體積量級,有些是立方毫米量級,有些是立方米量級,測試結果之間不具有可比性。


(4)缺少政府認可的檢定校準機構,試驗室無法有效實施認證認可。


(5)標準樣品尚沒有公認的嚴格意義上的標準物質,試驗室間缺少比對數據,隻能進行試驗室間數值比對。



結束語


隨著平麵探測器的發展,cosα方法成為一種新型的測定殘餘應力的方法,其具有便攜高效的特點,具有廣闊的應用前景。通過對不同殘餘應力測定方法和原理的介紹及對殘餘應力測定方法的展望,給廣大科技工作者選擇殘餘應力測定方法提供一定的參考,以期推動我國殘餘應力測定行業更進一步的發展。


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