關于構件的殘余應力檢測（盲孔法檢測）

一、前言

（1）應力概念

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：

第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。當一個物體的第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。

第Ⅱ類內應力是存在于較小范圍（一個晶粒或晶粒內部的區域）的內應力。

第Ⅲ類內應力是存在于極小范圍（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第Ⅰ類內應力。到目前為止，第Ⅰ類內應力的測量技術最為完善，它們對材料性能和構件質量的影響也研究得最為透徹。

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，而且一般指的都是第Ⅰ類內應力。

（2）應力作用

機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性和使用壽命有著十分重要的影響。適當的、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素；而不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐蝕，失去尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。

（3）應力的產生

在機械制造中，各種工藝過程往往都會產生殘余應力。但是，如果從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結為：

1.不均勻的塑性變形；

2.不均勻的溫度變化；

3.不均勻的相變

（4）應力的調整

針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應力，有時還可以引入有益的殘余壓應力分布，這就是殘余應力的調整問題。

通常調整殘余應力的方法有：

①自然時效

把構件置于室外，經氣候、溫度的反復變化，在反復溫度應力作用下，使殘余應力松弛、尺寸精度獲得穩定。一般認為，經過一年自然時效的工件，殘余應力僅下降2%～10%，但工件的松弛剛度得到了較大地提高，因而工件的尺寸穩定性很好。但由于時效時間過長，一般不采用。

②熱時效

熱時效是傳統的時效方法，利用熱處理中的退火技術，將工件加熱到500～650℃進行較長時間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過原子擴散及塑性變形使內應力消除。從理論上講采用熱時效，只要退火溫度和時間適宜，應力可以完全消除。但在實際生產中通常可以消除殘余應力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及機械性能下降等缺陷。

③振動時效

振動時效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產生共振，松弛殘余應力，獲得尺寸精度穩定性。也就是在機械的作用下，使構件產生局部的塑性變形，從而使殘余應力得到釋放，以達到降低和調整殘余應力的目的。其特點是處理時間短、適用范圍廣、能源消耗少、設備投資小，操作簡便，因此振動時效在70年代從發達國家引進后在國內被大力推廣。

④靜態過載法   

靜態過載法是以靜力或靜力矩的形式，暫時加載于構件上，并在這種載荷下保持一段時間，從而使零件尺寸精度獲得穩定的時效方法。用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應力與附加應力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應力。靜態過載法的精度穩定性效果，取決于附加應力的大小及應力下保持時間。

特別指出，靜態過載法處理后構件中仍然保持著相當大的殘余應力。

⑤熱沖擊時效法

1970年前后出現的一種新穎的穩定工件尺寸精度的時效工藝法。其實質就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應力正好與殘余應力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始殘余應力很快松弛并穩定化。

⑥超聲波時效法

超聲波時效法首先在前蘇聯誕生，并在發達國家得到推廣，該方法起先主要應用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應力非常嚴格的軍事領域。

（5）應力檢測方法

檢測振動時效的效果實際上就是檢驗工件中殘余應力是否得以消除和均化，目前對殘余應力的測試方法總的分為兩大類。一類是定量測量：如盲孔法、X射線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環法等；另一類是定性測試：如振動參數曲線法、尺寸精度穩定性法等。

①振動參數曲線法

一項振動時效工藝是否成功，起最后的檢測方法應是殘余應力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動處理過程中采用上述兩種參數是不可能的，它需要長時間和復雜的測試過程。通常在實際生產應用的控制過程中往往采用振動時效前后幅頻特性參數曲線和振幅時間參數曲線測試法，并按JB/T5926-91標準中第4.1條款或JB/T10375-2002標準中的第6.2條款驗收來實現。

A、幅頻特性曲線掃描法

在振動處理過程中隨著殘余應力的下降，構件的內阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。

B、振幅-時間曲線監測法

幅-頻特性曲線是在振動處理的前后進行的，且頻率在不斷的改變。有時為了獲得更好的曲線還需要將激振力調到最小（偏心最小的檔級）。采用頻率不變的同時畫出振幅隨時間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動處理的有效時間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應力的變化情況。

②盲孔法

應用較為廣泛的殘余應力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍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。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應用比較廣泛的殘余應力測試方法。

③尺寸精度穩定法

尺寸精度穩定法是根據定期對構件尺寸精度的測量來實現的。它包括兩方面內容：一方面是觀測構件尺寸精度隨時間而發生的變化量，與熱時效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構件在靜、動載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統工藝（熱時效）相比，以鑒定振動時效工藝的可行性。

二、實驗目的

（1）檢測工件表面及內部的綜合殘余應力變化量。

（2）檢測工件在接受某種時效處理前后的殘余應力變化量，以運算其應力消除率。
三、實驗原理

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，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。

（一）理論公式的推導

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。

用圖3.6表示被測點o附近的應力狀態：σ1和σ2為о點的殘余主應力。在距被測點半徑為r的Р點處，σr和σt分 別表示鉆孔釋放徑向應力和切向應力。并且σr和σ1的夾角為ф。

根據彈性力學原理可得P點的原有殘余應力σ′r和σ′t與殘余主應力σ1和σ2的關系如式（4）。

鉆孔法測殘余應力時，要在被測點о處鉆一半徑為a的小孔以釋放應力。由彈性力學可知，鉆孔后P點處的應力σ″r和σ″t分別為式（5）

在一般情況下，主應力方向是未知的則上式中含有三個未知數σ1，σ2和Ф。如果在與主應力成任意角 的Ф1，Ф2，Ф3三個方向上貼應變片， 由上式可得三個方程，即可求出σ1，σ2和Ф來。為了計算方便，三個應變片之間的夾角采用標準角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測得的三個應變分別為ε0，ε45和ε90即：

在有些情況下，公式（12）將會有所變化：

1.如果被測點的殘余應力是單向應力狀態，只要在應力方向上貼一應變片，鉆孔后即可測出應變εo，把Ф=0, σ2=0代入（11）式得

2.如果殘余應力σ1和σ2的方向已知，則可沿兩個主應力方向貼一應變片，如圖3.7所示，Φ=0和Φ=90。則由（11）式可得：

公式（12）是通過彈性力學理論推倒而來的，式中的A、B值是通過計算得到的。因此上述方法被稱做理論公式法。還有一種方法就是通過在拉伸試件上標定釋放應變與應力的比例系數后，再計算殘余應力，這種方法稱做實驗標定法。

（二）實驗標定法

如圖3.9所示，在距孔心r處貼片。為消除邊緣效應的影響，取寬度b大于a的4-5倍的試件。在材料試驗機上將沒有鉆孔的試件逐級加載，計算出試件的應力σ，測出各級荷載下的應變ε′1和ε′2。然后取下試件用專用設備在試件指定部位上專孔后，再重新拉伸，并測出專孔后的應變值ε″1和ε″2。

將兩種情況下同一級荷栽產生的應變差求出后可見，鉆孔前后的應變差與應力成正比，即：

（21）式與（13）式具有完全相同的形式，它說明標定法得到的A′,B′相當于理論公式中的A,B。因此只要通過標定法測得A′和B′后代入公式（12）中，即可得到主應力方向未知的測點的殘余應力σ1和σ2及其夾角Ф的數值。

當構件中的殘余應力沿厚度分布不均勻時，可采用分層鉆孔法求得各深度的殘余應力。其方法是：等深度地逐層鉆孔測定每次的應力釋放量。如果已知主應力的方向，則有：

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，必須采用高精度的應變計。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產生誤差的各種因素，其中最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。

（三）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。

（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鉆孔時要保證鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應控制在±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，孔周切削應變增大使測量不穩定。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中心打孔標志，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。