应力测试方法的现状及发展趋势总结.docx

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1、应力测试方法的现状及发展趋势总结工业生产中，应力与应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发生失效的主要原因之一。承载结构件由于加工制造、焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变，尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度和形状精度等产生较大的影响。如何对结构件进行应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域、快速有效的分析测定结构件重要部分的应力与应变分布实现对结构件的强度分析，同时评估结构件的使用状况和寿命实现早期诊断与监测,已成为亟需解决的问题，也是近年来力学研究的主要方向。因此应力的测量及其状态评估一

2、直是国内外研究的热点。1常用应力测试方法应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下材料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现的损坏或失效。而对于有益的物性改变，加以合理的利用可以增强材料的机械性能，因此分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值，应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前，常用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、超声法及纳米压痕法。1.1机械法1.1.1小孔法小孔法于1934年由德国学者J.Mather提出1,并由SOete发展完善，使其具有实用性2。经过数十年的发展，美国材料试验协会(ASTM)于

3、1981年颁布了钻孔测量法残余应力标准(ASTME8371981),并于2008年更新为ASTME837-083,将其确定为一种标准化的测试方法。其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴好的三向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量材料应力释放前后的应变量，运用相应的应力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向。根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法。根据钻孔方式不同，小孔法又可分为钻孔开孔法、喷砂开孔法和高速透平铳孔法。其中钻孔开孔法是小孔法测试残余应力中最简单的开孔方式，目前在我国实际生产中已得到了广泛的应用，该方法测量方便，操作简单，且设备便宜，但钻孔时

4、孔壁受到钻头挤压会发生塑性变形产生附加应变，影响残余应力测量精度。喷砂开孔法的特点在于开孔不受材料限制，加工应变很小，测量精度高，但操作过程复杂，且不适用于较软材料或有应力梯度构件的测试。高速透平铳孔法特点在于可在高硬度材料上铳孔，且加工应变很小，这是由于铳孔转速高、进刀量小以及可采用特殊的倒锥型铳刀，同时高速铳平钻孔装置使用也非常方便。因此，高速透平铳孔法是发达国家应用较多的小孔法残余应力测试方法，并且是美国标准ASTME83708推荐的小孔法钻孔方式之一。综上所述，小孔法由于具有对构件破坏性小、测量精度较高、设备轻便且便宜等特点，在现场得到广泛应用，但在使用过程中应注意以下问题：1）释放系

5、数A和B。释放系数受工件材料类型、厚度、所用应变片尺寸等因素的影响，因此对于不同的使用条件需对释放系数分别进行标定。在弹性范围内，应变释放系数A、B均为常数。当孔边材料发生屈服时，塑性应变的数值随应力水平变化，这时需对释放系数进行分级处理。通孔法应变释放系数可由KirSCh理论解直接计算出，盲孔法应变释放系数则需用实验标定，近年来有研究将有限元法引入释放系数的标定中，证明有限元法能对释放系数进行有效标定，进而简化了释放系数标定的复杂度和难度。2）附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边塑性挤压,会产生附加应变。为消除其对测量结果的影响，可结合光学方法进行测量，其优点在于可进行全场测量，并可得到

6、靠近孔周的残余变形信息。两者相结合能使小孔法的测量精度显著提高。3）钻孔偏心。在钻孔测量时，不可避免会产生钻孔偏心，标准6提出当钻孔中心与应变花中心的不重合度误差在（00040.02）D,且不可重复时，可对测试应力值进行修正。1.1.2环芯法环芯法由Mi1bradt于1951年提出，其原理与小孔法相似，是在待测工件上贴应变花，并在应变花周围铳一直径为D的浅环槽，将其中的环芯部分从工件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出来，最终将应变花测得的应变结果带入相应的应力计算公式，即可得到工件待测点的主应力及其方向，其计算公式与小孔法相同。这种方法也属于局部破坏测量方法，其破坏性比盲孔法大，但它

7、的应变释放率高于盲孔法，且可测量近表面一定深度范围内的残余应力分布，且测试精度比盲孔法高。目前已制定环芯法测试汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的相关标准,并在这两个领域得到广泛应用。环芯法测残余应力的误差主要来源于应变计灵敏系数、零点漂移误差和释放系数A与B的误差及铳刀产生的加工附加应变。其中附加应变引进的误差可预先标定,然后在测量时扣除，以达到减少误差的目的。对于释放系数A与B的标定，不同材料及不同的铳槽深度需分别进行标定，标定方法可采用拉伸实验法和有限元法，有限元法标定系数与拉伸实验法的误差在2%以内，由于有限元法更为经济简便，因此，推荐该方法进行释放系数标定。1. 2光测法 1.2.1

8、光弹性法光弹性法是将具有双折射效应的透明光弹性贴片粘贴在被测工件上并置于偏振光场中，当给工件加上载荷时，贴片上产生干涉条纹图。通过测量干涉条纹数目，可确定工件在受载情况下的应力状态，工件应力梯度越大，干涉条纹越密集。由于光弹性法可以显示构件表面的应变场条纹图像，可研究复杂几何形状和载荷条件构件的应力分布状态，目前光弹性法广泛应用于建筑、复合材料等多个领域的实验测量和应力场分析。光弹性方法属于非接触测量方法，具有机械法不能达到的全场测量优势，既可测量表面应力，也可测量内部应力；且该方法能够清晰地反映应力集中部位,并可确定应力集中系数，但其不足之处体现在工艺较复杂，测量周期比较长，需要将被测对象置

9、于偏振光环境中且光学系统相对复杂。 1.2.2云纹干涉法云纹干涉法是上世纪80年代发展起来的一种现代光测力学方法，并且随着D.Post17等研究者对云纹干涉法理论建设的完善以及试验设备的进步，该实验方法越来越成熟。其基本原理是将光栅粘贴在试件待测面上，两束相干准直光以一定入射角对称入射到试件栅上，在试件表面法线方向上得到干涉条纹；当试件受力变形后，试件栅随之变形，干涉条纹的级数和间距将发生变化，根据弹性力学的几何方程，可以计算出应变场及应力。云纹干涉法的试件栅是栅线密度为6001200线的高密度衍射光栅，其灵敏度比传统云纹法高出30120倍。云纹干涉法的图形与光弹性实验相似，但对模型材料没有光

10、学性能要求且计算方法不同。云纹干涉法与电测法不同之处在于光栅(贴片)的面积大，计算点数多，能求出应变场。云纹干涉法具有高灵敏度、条纹质量好、条纹分辨率高、大量程、实时观测等优点，其应用越来越广泛，特别是在与小孔法、环芯法等结合测试残余应力方法取得了良好的效果。13磁测法 1.3.1金属磁记忆法金属磁记忆检测方法是20世纪90年代，以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出的铁磁金属材料诊断检测技术。其原理是从铁磁金属表面拾取地磁场作用下的漏磁场信息，处于地磁环境下的铁磁构件受载荷的作用，应力和变形集中区会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向。这种不可逆变化在工作载荷消除后会保留下来，并

11、在应力与变形集中区形成漏磁场感应强度HP的变化，即HP的切向分量HP(X)具有最大值，而法向分量HP(y)改变符号且具有零值点，通过检测铁磁构件表面磁场分布情况，如磁场法向分量Hp(y)及梯度K=dHP(y)dx等特征量，可对应力集中或缺陷进行准确推断。目前金属磁记忆法的主要应用于确定设备和构件的应力应变状态的不均匀性和应力集中区；将其与常规无损检测方法结合可减少检测成本、检测构件裂纹(尤其是焊接裂纹)；各种类型焊接的质量控制(包括接触焊与点焊)；通过构件的不均匀性对新生产和在役机械制造产品实施快速分类等。金属磁记忆法是21世纪最具潜力的无损检测方法，在实际应用中有诸多优点：既可以检测宏观缺陷

12、，又可以检测微观缺陷，并预报潜在危险；检测时采用非接触方法，不需要对被检测器件进行任何表面清理或预处理；能实现在役设备的无损检测，无需专门的磁化设备；设备轻便、操作简单、检测效率高(能达到100mh以上)o金属磁记忆检测经过近20年的发展，虽然取得了不少研究成果和检测经验,但仍存在许多需要解决的问题，首先是机理尚不成熟，未形成一套系统严密的理论体系；其次是打磨、环境磁场等外因素对磁记忆检测的影响有待进一步研究分析；对残余应力的定量化问题所做的研究较少。1.3.2巴克豪森噪声法1919年德国科学家H.BarkhaUSen31发现铁磁体内可诱发出可测噪声信号,随后于20世纪逐渐开发成一种新型无损检

13、测技术，即巴克豪森噪声（BarkhausenNoise,BN）技术。铁磁材料在磁化时，会发生磁畴壁移动和磁畴内磁矩的整体转动，并且在磁滞曲线最陡的阶段发生磁畴的不可逆运动。外磁场强度连续缓慢的变化，使得磁感应强度的变化产生不连续跳跃，这将在试件表面的接收线圈中产生一系列杂乱的电脉冲信号（即BN）。作用在铁磁材料中的应力大小和方向不同，将影响巴克豪森噪声信号的强弱。因此，可通过测量巴克豪森磁噪声的活性及各参量来评估材料的应力状态。巴克豪森噪声发展相对成熟，国内外研究主要集中在：1）采用零点标定技术绘制MBN-应力标定曲线；2）把功率谱分析引入巴克豪森技术中，对MBN信号强度进行定量分析；3）应用

14、人工神经网络技术，建立了MBN信号与应力的对应关系；4）将巴克豪森技术测量结果与传统残余应力测量技术（如盲孔法和X射线衍射法）相比较，探讨其可行性和实用性；5）通过研究巴克豪森噪声与塑性应变的关系，来评估残余应力。巴克豪森信号作为一种新的铁磁性材料应力的无损检测方法，应用前景广阔,具有精度高、检测速度快等优点，但在检测过程中应注意以下问题：I）MBN测量需要校准，即将信号的测量值转换为所测应力、硬度或缺陷的绝对值。MBN测量对材料表面无特殊要求,但构件的表面粗糙度、氧化皮厚度等对MBN信号都有影响。因此，校准样品要与被测构件的表面状况一致；2）目前常用的巴克豪森信号的产生是由于铁磁性材料内部最

15、小单元磁畴在外磁场的激发下错动产生的，激励磁场强度、激励信号的频率等都会对巴克豪森信号产生影响。因此，需选择合适的激励方式；3）巴克豪森信号的强弱不仅与材料的应力有关，还受到材料化学成分、金相组织、热处理及冷加工过程的影响。因此，在测试前，要使用与被测试件化学成分、金相组织和热处理状态均相同的标准试件，测出磁弹性参量与应力之间的对应关系后，才能将实测值转换为应力值。1.3.3磁应变法磁应变法的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸的变化。反之，当材料处于应力作用时，材料的磁导率也会发生相应的变化。测量时，在向磁各向异性传感器提供恒定的磁电动势的条件下，磁路中磁阻

16、的变化将引起磁通的变化，而这种变化体现在传感器上检测线圈感生电动势的变化，从而将非电量的应力应变转化成可以测量的电量（如电流、电压），达到测量应力状态的目的。磁应变法的研究主要是基于采用不同的传感器设计并建立其磁输出信号与实际应力应变之间定量的算法关系。上世纪80年代前苏联、日本等国家，用U型探头测定应力，目前已有二级探头、四级探头、九级探头、三级探头等传感器和仪器被陆续开发出来。基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性进行应力测量的思想早已被提出，但真正实用化研究是近二十年的事，并且进展较为缓慢。在该方法的实际应用中主要存在以下几个问题：O目前对材料的磁本质还没有一个完美的解释，无法从微观角度为磁测法提供充分的理论依据；2）目前的磁应变法能快速有效的检测出试件的主应力差，但主应力。1、。2数值则需要借助边界条件以及切应力