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                    盲孔法測量殘余應力的原理

                    分類:殘余應力檢測    關鍵詞:盲孔法測量殘余應力

                    1、前言:
                        通常講,一個物體,在沒有外力和外力矩作用、溫度達到平衡、相變已經終止的條件下,其內部仍然存在并自身保持平衡的應力叫做內應力。
                        按照德國學者馬赫勞赫提出的分類方法,內應力分為三類:
                         *Ⅰ類內應力是存在于材料的較大區域(很多晶粒)內,并在整個物體各個截面保持平衡的內應力。當一個物體的*Ⅰ類內應力平衡和內力矩平衡被破壞時,物體會產生宏觀的尺寸變化。
                         *Ⅱ類內應力是存在于較小范圍(一個晶?;蚓Я炔康膮^域)的內應力。
                         *Ⅲ類內應力是存在于*小范圍(幾個原子間距)的內應力。
                         在工程上通常所說的殘余應力就是*Ⅰ類內應力。到目前為止,*Ⅰ類內應力的測量技術*為完善,它們對材料性能和構件質量的影響也研究得*為透徹。
                         除了這樣的分類方法以外,工程界也習慣于按產生殘余應力的工藝過程來歸類和命名,例如鑄造應力、焊接應力、熱處理應力、磨削應力、噴丸應力等等,而且一般指的都是*Ⅰ類內應力。
                    2、鉆盲孔法測量殘余應力的原理
                          目前在焊接件和鑄件上應用的較多的殘余應力測量方法是盲孔法,盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔,使被測點的應力得到釋放,并由事先貼在孔周位的應變計測得釋放的應變量,再根據彈性力學原理計算出殘余應力來。鉆孔的直徑和深度都不大,是一種微創檢測方法,不會影響被測構件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度,因此它已成為應用比較廣泛的方法。
                         當殘余應力沿厚度方向的分布比較均勻時,可采用一次鉆孔法測量殘余應力的量值。
                    在有殘余應力的焊接鋼板上鉆一小孔,因小孔附近的殘余應力被釋放,孔區附近的殘余應力場發生變化。只要測出該局部區域的應變變化量,即可計算出板上鉆孔處釋放前的殘余應力值σ1 、σ2:


                    盲孔法測量殘余應力的原理.jpg

                    TJ120-1.5-φ1.5應變花在普通鋼材上的釋放系數,為:

                    A=-0.0725±10%(2 倍標準差)

                    B=-0.15140±6%(2 倍標準差)

                         需要說明的是,釋放系數A、B與應變花的幾何尺寸、孔徑、孔深及材料的彈性模量E及泊松比μ有關,應用時須對每種被測材料進行標定,A、B系數不能通用
                         被測點鉆一小孔只能使殘余應力局部釋放,因此應變計所測出的釋放應變值很小,須采用高精度的應變計。為了不斷提高測量精度,還須十分注意產生誤差的各種因素,其中*主要的是鉆孔設備的精度和鉆孔技術,還有應變測試誤差。一般來說鉆孔深度 h≥2a 即可。
                    3、殘余應力檢測儀器
                           殘余應力檢測儀器的實質是電阻應變儀。殘余應力檢測儀是利用應變片直接測量殘余應力的專用儀器,在科研和工業生產中常常需要研究機械設備構件或組件應力的狀況,測量構件形變時應變力,如高壓容器(高壓氣瓶、高壓鍋爐),生產過程中須采用應變測量方法檢測耐壓和變形時壓力;火炮生產需了解火炮發射時炮管形變,飛機導彈研制時要在特殊的“風洞”實驗場中模擬高空狀態下飛行時機身、機翼等各部件的形變情況;汽車制造需測試汽車底盤承壓時的形變。
                    應變儀原理框圖

                    盲孔法測量殘余應力的原理1.jpg


                            殘余應力檢測儀是三路應變測量電橋組成的,內置高速CPU,對測量結果進行實時計算,能根據不同材料輸入不同常數,直接計算和顯示殘余應力大小和角度。測量的準確性和穩定性取決于檢測儀的電橋的精度,放大器的溫飄,濾波器的精度。
                    4、應變片溫度誤差及補償
                          應變片安裝在自由膨脹的試件上,如果環境溫度變化,應變片的電阻也會變化,這種變化疊加在測量結果中稱應變片溫度誤差。


                    盲孔法測量殘余應力的原理2.jpg


                           應變片溫度誤差來源有兩個:應變片本身電阻溫度系數αt影響和試件材料的線膨脹系數βg影響。溫度補償方法:電橋線路補償、自補償、輔助測量補償、熱敏電阻補償、計算機補償。通常采用線路補償:在被測上安裝一個應變片,在另一個與被測試件上安裝一個補償片,并完全處于相同的溫度場,測量時位于相鄰的電橋臂上,溫度變化時ΔR1與ΔRB相等變化,使電橋輸出U0與溫度無關。
                    5、鉆孔設備及鉆孔要求
                        (1).鉆孔設備的結構應該簡單,便于攜帶,易于固定在構件上,同時要求對中方便,鉆孔深度易于控制,并能適應在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結構圖,這種鉆具能較好地實現上述要求,借助4個可調節X、Y方向的位置和上、下位置,以保持鉆孔垂直于工件表面,用萬向節與可調速手電鉆連接施行鉆孔。


                    盲孔法測量殘余應力的原理3.jpg


                        (2).鉆孔的技術要求:
                           ①被測表面的處理要符合應變測量的技術要求,直角應變片應用502膠水準確地粘貼在測點位置上,并用膠帶覆蓋好絲柵,防止鐵屑破壞絲柵。
                          ②鉆孔時要確定鉆桿與測量表面垂直,鉆孔*心偏差應控制在±0.025 mm以內。
                          ③鉆孔時要穩,機座不能抖動。鉆孔速度要低,鉆孔速度快易導致應變片的溫度漂移,孔周切削應變*大使測量不穩定。為消除切削應變的影響,可先采用小鉆頭鉆孔然后再用銑刀洗孔。

                    如果無法使用小孔鉆,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Al2O3或SiO2粉末,通過回轉的噴嘴對準應變花*心打孔標志,噴吹表面而得一盲孔。這種方法實際上是一種磨削過程,其產生的熱量由氣流冷卻,加之切削量很小,因此打孔時引起的附加應力較小,噴沙打孔法的測量精度較高。


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