[发明专利]一种残余应力测量方法

说明书

本发明涉及残余应力测量技术，具体地说是一种残余应力测量方法。

焊接残余应力直接影响结构的安全使用性能，它能促使材料产生应力腐蚀开裂，降低疲劳性能和脆断抗力，降低结构尺寸稳定性等，因此残余应力测试是工程和科研工作中急需的重要测试技术。

从工程使用角度，一种好的残余应力测定方法应该具有以下特点：无损或基本无损；精度较高，可以满足测量要求；适用范围广，应适用于各种材料和不同结构形状；便携性，易于现场使用；易操作性，对操作人员的技术要求不苛刻。目前被大家普遍认可且可供实验室和现场应用的残余应力测定方法主要有3种：全释放法、X射线法、盲孔法。可分为两类，其中：X射线法属于物性法范畴，是利用材料在应力作用下物性(晶格常数)发生变化的原理测定残余应力，这类方法的优点是在测定过程中不损坏被测工件，属无损残余应力检测；缺点是对材料特性和样品的表面状态依赖性很大，因而在实际检测中较难把握，精度也难以保证，因而在焊接结构使用现场使用较少(X射线设备的便携性不够，测量数值偏低)。全释放法和盲孔法属于应力释放法范畴，全释放法是一种破坏性的方法，靠应力的全部释放获得很高的测量精度；盲孔法是利用钻一小盲孔使构件中的残余应力释放，由于采用应变片作为测量敏感元件，具有很高的测量精度，设备也便于携带，但却在一定程度上损伤被测件。理论上，还应存在第三类测量方法—应力叠加法。其中最典型的方法是压痕法。最初的压痕法是基于应力诱导材料硬度的变化而提出的，50年代以后，国际上开始研究载荷和压痕深度以及形状的关系，如Underwood等人研究了载荷与压痕外的塑性形变区的关系，以求得残余应力的大小。文献1：约翰·何·安德伍德，用压痕法测量剩余应力，《实验力学》373-380，1973年9月(John H.Underwood，Residual-stress measurement using surface displacements around anindentation，Experimental Mechanics，373-380，Sept.1973)为利用压痕大小和应变变化测量残余应力研究的最早论文，但其测量原理是通过测定压痕形成的塑性和弹塑性区的光弹片的光学信号的变化来获取残余应变的信息，由于不是采用精密的应变片测量塑性区以外的弹性区的应变变化量，故测量的精度难以保证，也没有十分明确的线性规律可以采用；此外，采用静力加载办法形成压痕，不便于工程现场应用。故至今在工程上没有发现任何应用例子的报道。另外，文献2：辛斯，吉.和卡尔逊，罗.，通过硬度变化测量剩余应力，《美国实验和材料学会公报》，35-37，1952年2月(Sines，G.and Carlson，R.，Hardnessmeasurement for determination of residual stress，ASTM Bulletin 35-37，Feb.1952)公开了一种利用测量材料的硬度变化间接测量残余应力的方法，测量精度很低(属于定性测量方法)，至今没有工程应用实例。

为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种测量精度高、不损伤被测件、操作方便的残余应力测量方法，尤其适用于焊接结构的残余应力测量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：以冲击加载代替静力加载，在物件表面形成压痕，选择压痕区外的弹性区作为测定部位，根据叠加的应力场引起的应变增量计算原始残余应力；具体操作如下：1)选取双向应变花，在含有残余应力的构件表面贴上所述双向应变花，粘贴时应变栅的方向与主应力方向一致；2)在应变片的交点中心处制作压痕，压痕直径在1.3±0.2毫米，以确保应变片处于压痕弹性区并有足够的测量精度；3)通过应变仪记录输出应变值；4)采用光学设备读出压痕直径大小；5)参照压痕标定直线得出原始弹性应变值ε_e(ε_x、ε_y)；6)按胡克定律计算出沿应变片方向原始残余应力，其公式为：

本发明所述双向应变花为能满足压痕外弹性区测量要求并有足够测量精度的BE120-2CA-B型双向应变花；

本发明所述压痕标定直线为根据不同构件材料在任意2～3种应力条件下，通过打击一系列直径不同的压痕后获得压痕d-应变增量Δε-外加应变(等同于残余应力)的线性关系很好的标定直线；

采用本发明当残余应力幅值小于0.5倍材料屈服点时，双向应变片的应变栅的方向与主应力方向不要求一定一致。

本发明的工作原理是：