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测量部件中残余应力的方法

摘要

在制造中许多结构和部件中会产生残余应力。大量调查已经对这种现象及其对这些组分机械特性的影响进行了研究。

多年来，已经形成了不同的方法来测量不同类型的部件的残余应力，以便获得可靠的评估。各种特定方法已经演变了几十年，它们的实际应用已经从互补技术的发展中获益，特别是在材料切割，全域变形测量技术，数值方法和计算能力。这些互补技术不仅提高了测量精度和可靠性，而且在应用范围上也取得进步;残余应力测量中更多的细节现在也可以得到。本文旨在对不同的残余应力测量方法进行分类，并提供这一领域最近的一些进展的概述，以帮助研究人员根据它们的应用和这些技术的可用性在破坏性，半破坏性和非破坏性技术中选择技术方案。对于每个方案适用的领域，总结了其物理限制，优点和缺点。最后，本文指出了未来发展的一些有前途的方向。

1引言

材料和结构部件的工程性质，特别是疲劳寿命，变形，尺寸稳定性，耐腐蚀性和脆性断裂可能受到残余应力的显着影响[1]。这种影响通常在部件，设备和结构的修理和修复中带来相当大的花费。因此，残余应力分析是零件和结构元件的设计以及在实际使用条件下它们的可靠性的估计的必要阶段。系统研究表明，例如，焊接残余应力可能导致焊接元件的疲劳强度的急剧降低。在多周疲劳（Ngt;106个周期）中，残余应力的影响可以与应力集中的影响相当[2]。令人惊讶的是，重要的是残余应力对焊接元件的疲劳寿命的影响被视为可以减轻有害的残余应力，并在焊趾区域引入有利的压缩残余应力。目前，残余应力是确定材料，垫片和焊接元件的工程性能的主要因素之一，并且在不同产品的设计和制造期间应予以重视。虽然在开发残余应力管理技术方面取得了成功的进展，但仍然需要大量的努力来开发有效的和经济有效的残余应力测量和分析方法以及残余应力的有益再分配技术。

1.1残余应力的定义和分类

残余应力可以定义为在没有外力或热梯度的情况下在制造和材料加工之后保留在材料或本体内的应力。它们也可以通过服务加载来生产，导致部件或样本中的不均匀的塑性变形。因此，残余应力不是由负载（力或力矩）引起的，因此它们必须是全局平衡的，即：

int;бda=0 （1）

int;бzda=0（2）

其中r是在一点上的求积，dA是焊接构件中的任何最小区域，z是距任何参考点的距离。残余应力可以定义为宏观或微应力，并且两者可以存在于任何一个时间。他们可以分类为：

-类型I：在尺寸大于材料颗粒尺寸的尺度上，在元件本体中产生的宏观残余应力。

-类II型：随着颗粒尺寸的变化而变化的微量残余应力。

-类型III：存在于颗粒内的微残余应力，这是由于位错和其他晶体缺陷的存在的结果。

1.2残余应力产生的原因

在大多数制造过程中产生残余应力，包括材料变形，热处理，机械加工或加工操作，其改变材料的形状或改变材料的性质。它们有许多来源，并且可以存在于未加工的原材料中，在制造期间引入或者来自于使用中的负载。可以以下列方式分类残余应力的起源：

·微分塑性流动；

·微分冷却率；

·相对体积的变化等等。

例如，在部件或结构元件中存在拉伸残余应力通常是有害的，因为它们可能是疲劳失效和应力腐蚀开裂的原因，并且通常是其中的主要原因。事实上，通过不同方法在材料的（子）表面层中引起的压缩残余应力通常是有益的，因为它们防止了裂纹的起源和扩散，并且增加了耐磨性和耐腐蚀性。产生有害拉伸应力的操作的实例是焊接、机械加工、研磨棒或拉丝。图1显示了低碳钢焊接部件的特征残余应力分布[3]。

有害残余应力的最大值在焊接线附近为约360N/mm²（拉伸应力），并且在距焊接轴线80mm的距离处减小到约165N/mm²。在焊接线附近的最小残余应力为约90N/mm²，并且在约60mm的距离处它变为约60N/mm²的压缩力，然后在距离轴线80mm的距离处减小到约10N/mm²的张力。这种高拉伸残余应力是在焊接过程中的热塑性变形的结果，并且是导致焊接元件中疲劳裂纹的产生和传播的主要因素之一。

1.3焊接中的残余应力

焊接是工业的重要生产过程，并且产生着显著水平的残余应力。它们在结构中产生，是由于焊接金属固化并冷却至环境温度时发生的不同收缩的结果。事实上，焊接将高的热引入到被焊接的材料。作为其结果，在材料上发生不均匀的热分布，塑性变形和相变。这些变化在焊接区域和热影响区（HAZ）中产生不同的残余应力模式。如图2所示，每个应力产生机制对残余应力分布具有不同的影响。由熔融区域的收缩引起的残余应力通常是拉伸的。转变诱导的残余应力发生在HAZ的温度超过相变的临界值的部分。当相变的影响较为显著时，变形区域形成压缩残余应力[4]。

2残余应力测量技术的分类

在过去几年中，已经开发了用于测量不同类型的部件中的残余应力的许多不同的方法。测量类型I的技术（除了诸如衍射之类的技术，其选择性地对“特殊”晶粒进行采样，即正确地定向用于衍射）残余应力可以被分类为破坏性的或半破坏性的或非破坏性的，如图3。破坏性和半破坏性技术（也称为机械方法）取决于通过移除材料来完全或部分地消除应力而从位移中推断出初始应力。这些方法依赖于在从样品移除材料时由于释放残余应力而引起的变形的测量。截面、轮廓、钻孔、环芯和深孔是用于测量结构构件中残余应力的破坏性和半破坏性技术的原理。非破坏性方法包括X射线或中子衍射，超声方法和磁性方法。这些技术通常测量与应力相关的一些参数。它们用于评估疲劳相关的损坏变得越来越重要，因为许多结构部件，例如桥梁、飞机结构或海上平台，需要定期检查以防止严重损坏甚至故障。对于在现场或大型结构的检查，小型、方便移动的和易于处理的设备是必不可少的。此外，成本最小化需要短的测量时间，而不需要在测试之前对部件进行耗时的准备[5]。

2.1机械方法

这些技术被称为应力松弛方法，其分析当材料被去除时在金属部件中产生的应力松弛。通过测量由松弛引起的变形，可以通过分析连续的平衡状态来确定在金属被移除之前存在于零件中的残余应力的值[6]。最常见的机械方法如下：

2.1.1钻孔法

钻孔法相对简单快捷;它是残余应力评估中最常用的半破坏性方法之一，其可以提供在厚度上在幅度，方向和敏感方向上的残余应力分布的测量。它具有精度和可靠性好、测试程序标准化、方便实用的优点。对样品造成的损伤局限于小的钻孔，并且通常是可容忍的或可修复的。该原理涉及在要测量残余应力的位置处引入小孔（直径为大约1.8mm并且深达大约2.0mm）。由于钻孔，锁定的残余应力被释放，并且使用在表面上的孔周围粘合的合适的应变计（图4）测量表面上的相应应变[7]。从孔周围测量的应变中，使用针对所使用的特定类型的应变计适当的校准常数以及对于期望的应力类型的最合适的分析过程来计算残余应力[8]。

环芯法[9,10]是一种“内-外”的钻孔方法。钻孔方法涉及钻出中心孔并测量所产生的周围表面的变形，而环芯法涉及测量由围绕材料中的环形槽的切割所引起的中心区域中的变形。与钻孔方法一样，环芯法具有评估面内应力的基本实现[10]，以及用于确定应力剖面的增量实现的功能[11]。环芯法具有优于钻孔方法的优点，其提供了大得多的表面应变。然而环芯法却不常使用，因为它会产生较大的样本损伤，并且在实践中实施起来不太方便。

与其他残余应力测量技术相比，钻孔方法通常适用于所有材料组。首先，材料应该是各向同性的，并且弹性参数应该是已知的。其次，分析的材料应该是可加工的，即孔的钻孔不应当损害测量的应变。该方法确定宏观残余应力。大多数深入评估算法提供了一种确定弹性平面应力状态的解决方案。然而，为了避免由于孔的应力集中导致的局部屈服，测量的残余应力的最大量值不应超过局部屈服应力的60-70％。该方法的局部分辨率取决于所使用的设备。横向，分辨率在产生的孔直径的区域中。孔的最小可分析深度不超过0.5倍D0（孔直径）[12]。Vishay测量组解释了实施钻孔方法的实际步骤[13]。

许多研究者已经应用这种方法来研究由焊接产生的部件中的残余应力。Liu等人[14]使用钻孔方法测量了厚铝摩擦搅拌焊接对接处的残余应力，钻孔操作引起的应变通过电阻玫瑰应变计（BE120-2CA-K），并显示在ASM7.0应变指示器上。Olabi和Hashmi[7,15,16]在他们的研究中应用了钻孔方法来评估在应用焊后热处理（PWHT）之前和之后的焊接在箱型钢结构钢材和高铬钢AISI410用于飞机发动机的I梁上的残余应力的大小和分布。使用RS-200钻孔技术，并且沿着与焊接轴线不同距离的焊接处沿相同的线安装应变片玫瑰花。根据以下步骤评估残余应力进行了许多准备：（1）表面和应变仪的制备和安装;（2）在将要测定残余应力的点处将应变计粘贴到测试部件之后，将每个玫瑰网格元件连接到应变指示器P-3500，并记录“零”读数;（3）RS-200铣削导轨位于量规中心的上方，并通过特殊类型的水泥牢固地连接到测试部件;（4）最后，通过适当的方程计算主残余应力及其方向。该试验的结果表明，在焊接区域附近存在拉伸应力，并且随着与焊接区域的距离增加而减小。此外，合适的PWHT对于降低不同水平的残余应力具有重要影响.Olabi等人[17]使用钻孔方法测量AISI304钢焊接板的热影响区中的残余应力，并确定了激光焊接输入参数和主残余应力幅值和方向。此外，Anawa和Olabi[3]采用钻孔方法测量铁素体钢（AISI316不锈钢）和奥氏体钢（AISI1008低碳）之间异种金属焊缝的残余应力，通常用于发电厂、食品工业、制药工业等许多领域测量不同深度水平的微应变（e），并用于计算主残余应力。Benyounisetal[18]采用钻孔方法测量AISI304和AISI1016的不同但是相连的焊缝的热影响区中的最大残余应力。在每个筛板中心的两个位置处钻孔，尽可能靠近焊缝，以确保孔位于HAZ中。在所有以前的研究中，使用的应变计玫瑰花瓣是CEA-06-062UM-120型，其允许测量靠近焊缝的残余应力。

用于残余应力测量的孔的钻孔需要非常仔细地进行，以避免引入误差。有三个主要的误差源：引入加工应力（增加待测残余应力），非圆柱形孔形状和偏心率，但迄今为止，它是测量残余应力的唯一方法，被接受为ASTM标准[19]。一般来说，这种附加的诱导应力的大小取决于所使用的钻孔方法和工作参数。高速（HS）钻孔技术引起的附加应力相对低于其他钻孔技术[20]。此外，HS钻孔技术具有实验设备简单、可以直接操作和高精度优点。虽然HS钻孔应变计方法在用于测量具有高硬度和高韧性的试样中的残余应力时具有优点，但是钻头上会发生严重的磨损。然而，刀具磨损将进一步导致诱导应力增加，从而导致显着的测量误差[21]。在极端情况下，工具磨损可能非常严重，使得工具灾难性地失效。放电加工（EDM）工艺具有不限制含铁材料的机械性能的优点，并且已经证明其在各种金属上钻出高精度孔的能力。因此，当HS钻孔不能用于应变计法中时，EDM钻孔提供了一种用于测量残余应力的替代方法。在Ghanem等人[22]进行的研究中，已经表明在EDM转变层内会形成拉伸残余应力。Ekmekci等人[23]已经推出了一个经过修改的经验方程来测量加工表面的残余应力，并报告应力从表面增加并达到最大值，该最大应力值在材料的极限抗拉强度附近，然后逐渐下降，在较大深度处逐渐变为零或甚至变为较小的压缩残余应力。当使用EDM钻孔应变计方法来测量部件内的残余应力时，由应变计检测到的释放应变的一部分不是源自原始部件，而是钻孔过程中在转变层中诱发的残余应力。这种附加应变不可避免地引入测量误差除非以某种方式考虑。2003年，Lee和Hsu[24]采用了一系列无应力和预应力试样并用高速钻孔和EDM钻孔方法来行进应力测量。实验结果表明，EDM方法的应用提供了与高速方法相同的可靠性和稳定性。此外，他们还发现，由EDM引起的测量误差取决于所使用的工作参数，并且取决于原始部件内的残余应力的大小。因此，Lee等人[25]提出使用钻孔技术获得的残余应力测量的精度可以通过使用钻孔诱导应力（б_IS）校准测量结果来提高。然而，该校准方案的应用需要使用单独的加工操作，以便确定感兴趣的特定材料的б_IS的值。牢记这一点，下面的研究（Mayer和Hsu[26]）的目的是增强这种校正方案，使得校准因子б_IS可以直接从样品的材料性质预测，而不需要任何辅助加工试验。此外，Lee和Liu[27]发现，只要介质流体保持高水平的纯度，rIS的值主要由样品的热导率和碳当量决定。在大多数实际情况下，残余应力随深度不均匀。增量钻孔方法是对基本钻孔方法的改进，其包括以一系列小步骤进行钻孔，这提高了方法的通用性，并且能够测量应力的分布和梯度。对于相同的层压板厚度，钻孔增量的数量越大，残余应力分布越具有代表性。关于深度增量的影响，似乎选择增量（每层一个增量）可能导致轻微的应力过度估计。在钻井过程中和钻井后，由于过大的应力松弛，导致每层钻进增量的情况下，应力有轻微相对过估计。实际上，增量深度越大，钻孔时间越重，并且对工具和材料之间的接触越不利。在同一时间，似乎通过减小每个增量的相应深度，可以增加用于确定材料的贯穿深度中的残余应力分布的方法的灵敏度，特别是在层压板的每个层内[28]。Olabi等人[29]采用增量钻孔方法，以测量AISI304钢焊接板中最大残余应力的大小和分布。这项研究的目的是通过使用响应面法（RSM）创建数学模型，以确定激光焊接参数之间的关系和残余应力在不同的位置的幅度大小。使用两种类型的应变计玫瑰花;第一种类型是CEA-06-062UM-120，其允许测量靠近焊道的残余应力;第二种类型是CEA-06-062UL-120，其已经用于测量距离焊缝中心线10和20mm的其它两个位置处的残余应力。最近的工作[30

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