残余应力测量原理

残余应力测量原理

残余应力的检测对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果及废品分析等都有很重要的意义，聚航科技为大家总结盲孔法及磁测法残余应力测量原理及相关产品。

盲孔法残余应力测量

盲孔法残余应力测量的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。

磁测法残余应力测量

磁测法残余应力检测法主要是通过测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生变化确定残余应力的大小和方向。铁磁材料其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过装有特定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。

以上就是盲孔法及磁测法残余应力测量原理介绍，如果您那还有其他的疑问，可随时联系聚航科技，我们很愿意为您答疑解惑。

表面残余应力测试方法

表面残余应力测试方法 由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面 一、试样的表面处理 X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。 （1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。 （2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。 （3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。 （5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。 （6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。 二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。 被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ范围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。 在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。 若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分陶瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。

盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介[1]

第15届全国残余应力学术交流会论文 盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介 王晓洪赵怀普 （郑州机械研究所河南郑州450052） 引言 机械零部件和构件在制造加工的过程中由 于不同的制造工艺，例如铸造、切削、焊接、热 处理等，都会在材料中产生残余应力。残余应力 的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造 时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在 制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变 化或者使其疲劳强度等力学性能降低,从而影响 到它们的使用安全性。因而，了解残余应力的状 态对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重 要的意义。 目前，比较成熟且普遍应用的残余应力测试方法分为两大类：无损检测法和机械检测法。无损法在检测过程中不对工件产生创伤，机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏，例如切割法（又称剖分法）和环芯法对工件的破坏较大，而盲孔法对工件的破坏较小，因而盲孔法又称半无损法。本文主要针对盲孔法的原理和几种打孔方式给于介绍。 一、盲孔法测残余应力的基本原理 盲孔法最早由由德国人J.Mathar于1934年首先提出，以后经长期不断地改进和完善，目前已成为应用最广泛的残余应力测量方法之一。美国材料试验协会ASTM已于1981年制订了测量标准（2）。 盲孔法测量残余应力的原理如图1所示，假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2，在该区域表面上粘贴一专用应变花，在应变花中心打一小孔，引起孔边应力释放，从而在应变花丝删区域内产生释放应变，根据应变花测量的释放应变就可以计算出残余应力： 图1 盲孔法残余应力测量原理图 () () () () ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? - - - = - - + - + + = - - + - - + = 1 3 3 1 2 2 3 1 2 2 3 1 3 1 2 2 3 1 2 2 3 1 3 1 1 2 2 2 ) ( 4 4 2 ) ( 4 4 ε ε ε ε ε θ ε ε ε ε ε ε ε σ ε ε ε ε ε ε ε σ tg B E A E B E A E (1) 式（1）中： ε1、ε2、ε3—三个方向释放应变； σ1、σ2 —最大、最小主应力； θ—σ1与1号片参考轴的夹角； E —材料弹性模量； A、B —两个释放系数。 其中A、B系数与钻孔的孔径、应变花尺寸、孔深有关（1）。 盲孔法测残余应力的误差主要有以下几个因素： 1、应变片的粘贴质量。应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。 σ 1 1 2

残余应力检测方法概述

第1 页 共 2页 残余应力检测方法概述 目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多，为便于分类，人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为：应力松弛法（样品将被破坏）和无损检测法（样品不被破坏）两类。以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。 一、常见的残余应力检测方法： 1. 应力松弛法 (1) 盲孔法 该方法最早由Mather 于1934年提出，其基本原理就是通过孔附近的应变变化，用弹性力学来分析小孔位置的应力，孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。由于这类设备操作起来非常简单，近年来被广泛使用。 (2) 切条法 Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条，然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。 (3) 剥层法 该方法是通过物理或化学的方法去除试件的 一层并测量其去除后的曲率，根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。该方法常用于形状简单的试件，且测试过程快捷。 2. 无损检测方法 (1) X 射线衍射法 X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变，进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力，目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提出的sin2ψ方法。日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪，为该方法的推广做出了巨大的贡献。 (2) 中子衍射法。 中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的，都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变，并根据弹性力学方程计算残余应力。但中子散射能量更高，可以穿透的深度更大，当然中子衍射的成本也是最昂贵的。 (3) 超声波法。 该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象，通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度，尽管超声波方法也属无损检测方法，但其仍需进一步完善。 二、最新的残余应力检测方法 cos α方法早在1978年就由S.Taira 等人提出， 但真正应用于残余应力测试设备中还是近几年的事情。日本Pulstec 公司于2012年研制出了世界上首款基于cos α方法的X 射线残余应力分析仪，图1是设备图片（型号：μ-x360n ）。

残余应力及如何测量

为什么会有残余应力 金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？ 金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力. 原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。 金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。通常用热处理、时效处理来消除残余应力。因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。所以会产生残余应力。组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。所以就回有残余应力。 我们真正关心的是零件加工后的质量。由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。第三变形区内后刀面与已加工表面的挤压与摩擦又使表面金属产生残余压应力(里层金属产生残余拉应力)。如果第一变形区内应力造成的残余应

(完整版)盲孔法测残余应力

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第I类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第I类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第U类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。第川类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第I类内应力。到目前为止，第I类内应 力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第I类内应力。 （2）应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 （3）应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变 （4）应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能 不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%-10%但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500-650 °C进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力 可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70?80%但是它有工 件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。 ③振动时效振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛

X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法

X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESS X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 什么是残余应力？ 外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的

E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。 X射线衍射法测量残余应力的基本原理 Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。 其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。 Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即： 式中θ0为无应力试样衍射峰的布拉格角，θψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。 于是将上式代入并求偏导，可得：

残余应力测试

2.测试方法 目前常用的残余应力测试方法主要有三种：一是盲孔法，二是X射线衍射法，三是磁弹性法。 盲孔法需在工件表面测量部位钻φ1.5~2mm深2mm的小孔（粘贴专用应变花），通过测读释放应变确定残余应力的大小，所测应力为孔深范围内的平均应力，同一测点无法重复测量比较； X射线衍射法可以做到无损测试，但由于X射线穿透力有限，一般只能测出几个微米范围内平均应力； 磁弹性法是近几年发展较快应用比较成熟的一种残余应力测试方法，具有方便、无损、快速、准确的特点。 对采用盲孔法和X射线衍射法检测残余应力，施工强度大，测量精度难以保证。尤其盲孔法不能对同一位置进行重复性测量，测量数据的符合性差。因此，三峡发电机组转子圆盘支架焊缝残余应力的测试采用了磁弹法技术。 残余应力的测量方法 残余应力的测量方法可以分为有损和无损两大类。 有损测试方法就是应力释放法，也可以称为机械的方法；无损方法就是物理的方法。 机械方法目前用得最多的是钻孔法（盲孔法），其次还有针对一定对象的环芯法。 物理方法中用得最多的是X射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁性 法和超声法。 X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏观上可以准确测 定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征 为晶面间距的相对变化。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d 必然随晶面与应力相对 取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此有可能通过测量 衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。从这里可以看出X射线衍射法测定 应力的原理是成熟的，经过半个多世纪的历程，在国内外，测量方法的研究深入而广泛，测 试技术和设备已经比较完善，不但可以在实验室进行研究，可且可以应用到各种实际工件， 包括大型工件的现场测量。

真实应力-真实应变曲线的测定

真实应力-真实应变曲线的测定 一、实验目的 1、学会真实应力-真实应变曲线的实验测定和绘制 2、加深对真实应力-真实应变曲线的物理意义的认识 二、实验内容 真实应力-真实应变曲线反映了试样随塑性变形程度增加而流动应力不断上升，因而它又称为硬化曲线。主要与材料的化学成份、组织结构、变形温度、变形速度等因素有关。现在我们把一些影响因素固定下来，既定室温条件下拉伸退火的中碳钢材料标准试样，由拉力传感器行程仪及有关仪器记录下拉力-行程曲线。实测瞬间时载荷下试验的瞬间直径。特别注意缩颈开始的载荷及形成，缩颈后断面瞬时直径的测量，然后计算真实应力-真实应变曲线。 σ真＝f（ε）＝B·εn 三、试样器材及设备 1、60吨万能材料试验机 2、拉力传感器 3、位移传感器 4、Y6D-2动态应变仪 5、X-Y函数记录仪 6、游标卡尺、千分卡尺 7、中碳钢试样 四、推荐的原始数据记录表格 五、实验报告内容 除了通常的要求（目的，过程……）外，还要求以下内容： 1、硬化曲线的绘制 (1)从实测的P瞬、d瞬作出第一类硬化曲线（σ-ε） (2)由工程应力应变曲线换算出真实应力-真实应变曲线 (3)求出材料常数B值和n值，根据B值作出真实应力-真实应变近似理论硬化

曲线。 2、把真实应力-真实应变曲线与近似理论曲线比较，求出最大误差值。 3、实验体会 六、实验预习思考题 1、 什么是硬化曲线？硬化曲线有何用途？ 2、 真实应力-真实应变曲线和工程应力应变曲线的相互换算。 3、 怎样测定硬化曲线？测量中的主要误差是什么？怎样尽量减少误差？ 附：真实应力-真实应变曲线的计算机数据处理 一、 目的 初步掌握实验数据的线性回归方法，进一步熟悉计算机的操作和应用。 二、 内容 一般材料的真实应力-真实应变都是呈指数型，即σ=B εn 。如把方程的二边取对数： ln σ＝lnB+nln ε， 令 y ＝ln σ；a ＝lnB ；x ＝ln ε 则上式可写成y ＝a+bx 成为一线性方程。在真实应力-真实应变曲线试验过程中，一般可得到许多σ和ε的数据，经换算后，既有许多的y 和x 值，在众多的数值中如何合理的确定a 和b 值使大多数实验数据都在线上，这可用最小二乘法来处理。 已知有测量点σ1，σ2……σk ，ε1，ε2……εk ，既有y 1y 2y 3……y k ，x 1x 2x 3……x k ，把这些数据代入回归后的线性方程y ＝a+bx 中去，必将产生误差△v 。 △v 1＝a+bx 1-y 1 △v 2＝a+bx 2-y 2 · · · △v k ＝a+bx k -y k 即 △V i ＝a+bx i -y i 我们回归得直线应满足 ∑△V ︱i 2 ,最小 △ V ︱i 2 =a 2+b 2 x ︱i 2+y ︱i 2 +2abx i -2ay i -2bx i y i ∑△V ︱i 2 = ka 2+b 2∑x i x i +∑y i y i +2ab ∑x i -2a ∑y i -2b ∑x i y i

残余应力数值模拟中的难题

残余应力数值模拟中的难题 经常在各种科技期刊和残余应力学术会议上，看到国内残余应力研究者发表的论文，其中，残余应力数值模拟结果和测量结果高度一致。笔者作为国内力学测量领域内有着30多年应力测试经验的专业人士，对此有不同的看法，因此特指出残余应力数值模拟中的难题。 残余应力之所以产生，从力学角度讲，是由于材料加载（包括外力和温度等因素）产生了塑性变形，卸载后，由于材料进入塑性区而恢复不了原始状态，必然留下残余的变形，这部分变形就产生了残余应力。所以机械零部件和构件在制造时，各种加工工艺，比如，焊接、锻压、铸造和各种热处理工艺等，都会使材料进入塑性变形区，从而产生残余应力。在实际生产中，上述加工工艺都会产生足以引起材料相变的高温。因此，残余应力数值模拟在计算力学上是一个典型的热力耦合问题，即热力学和力学的相互迭代非线性有限元计算。这就引出了几个不容易模拟的难题。 1、热力学边界条件的热交换问题 在各种加工工艺中，比如，焊接、锻压、铸造，特别是各种热处理工艺，如何保证数值模拟时材料与周围介质热交换更逼近实际是不容易做到的，只能近似。最典型的是材料淬火的快速冷却，更不容易做到。 2、力学计算涉及的本构关系问题 要计算残余应力就必须知道材料的本构关系，即应力应变关系。

然而，材料的弹性应力应变关系容易确定，但材料在上千度高温时，要精确确定它的热塑性应力应变关系就非常困难，且这种应力应变关系是随温度变化的，要确定不同温度下的热塑性应力应变关系就更难。 3、材料金属学的相变问题 残余应力数值模拟中，热力耦合迭代，材料要经过相变区，材料中每一温度每一部分要引进多少相变变形，是个难题。 4、热力耦合非线性计算数学迭代问题 这是高难度的有限元计算数学问题，国外这个问题研究成果显著，已有静力、动力、流体、热力学综合分析软件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等，通用材料热处理、成型软件DEFORM-HT，板料成型、钣金成型、冲压成型软件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等，铸造模拟软件Procast、Magmasoft等，热处理、焊接和焊接装配软件SYSWELD等。而国内在这方面几乎没有什么高水平的软件。 上述前3个难题决定了任何一个软件对残余应力的数值模拟只能是定性的而不能定量，因为差之毫厘，失之千里，热力学边界条件、材料本构关系和相变变形与实际情况的不符不可能模拟出精确的残余应力值。但可以以残余应力测量值为参考，修正这3个难题中的计算参数，直到模拟的残余应力数值接近测量值，以后就利用这些参数来进行某个方面特定的残余应力数值模拟，而不是通用残余应力数值

盲孔法测残余应力

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关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念 通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。 按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。 （2）应力作用 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 （3）应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变 （4）应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效

高分子材料应力-应变曲线的测定

化学化工学院材料化学专业实验报告 实验名称：高分子材料应力-应变曲线的测定 年级： 10级材料化学 日期: 2012-10-25 姓名： 学号： 同组人： 一、 预习部分 聚合物材料在拉力作用下的应力-应变测试是一种广泛使用的最基础的力学试验。聚合物的应力-应变曲线提供力学行为的许多重要线索及表征参数（杨氏模量、屈服应力、屈服伸长率、破坏应力、极限伸长率、断裂能等）以评价材料抵抗载荷，抵抗变形和吸收能量的性质优劣；从宽广的试验温度和试验速度范围内测得的应力-应变曲线有助于判断聚合物材料的强弱、软硬、韧脆和粗略估算聚合物所处的状况与拉伸取向、结晶过程，并为设计和应用部门选用最佳材料提供科学依据。 1、应力—应变曲线 拉伸实验是最常用的一种力学实验，由实验测定的应力应变曲线，可以得出评价材料性能的屈服强度，断裂强度和断裂伸长率等表征参数，不同的高聚物、不同的测定条件，测得的应力—应变曲线是不同的。 应力与应变之间的关系，即：P bd σ= 00100%t I I I ε-= ? E ε σ = 式中 σ——应力，MPa ； ε——应变，％； E ——弹性模量，MPa ； A 为屈服点，A 点所对应力叫屈服应力或屈服强度。 的为断裂点，D 点所对应力角断裂应力或断裂强度 聚合物在温度小于Tg(非晶态) 下拉伸时，典型的应力-应变曲线(冷拉曲线)如下图

曲线分以下几个部分： OA：应力与应变基本成正比(虎克弹性)。--弹性形变 屈服点B：应力极大值的转折点，即屈服应力(sy)；屈服应力是结构材料使用的最大应力。--屈服成颈 BC：出现屈服点之后，应力下降阶段--应变软化 CD：细颈的发展，应力不变，应变保持一定的伸长--发展大形变 DE：试样均匀拉伸，应力增大，直到材料断裂。断裂时的应力称断裂强度( sb )，相应的应变称为断裂伸长率(eb) --应变硬化 通常把屈服后产生的形变称为屈服形变，该形变在断裂前移去外力，无法复原。但如果将试样温度升到其Tg附近，形变又可完全复原，因此它在本质上仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动所引起的。 根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将应力-应变曲线大致分为六类：(a)材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应变，在屈服点之前发生断裂，有高模量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。 (b)材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度。 (c)材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属韧性断裂。 (d)材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。 (e)材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。如未硫化的天然橡胶。 (f)材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。 注意：材料的强与弱从σb比较；硬与软从E(σ/e)比较；脆与韧则主要从断裂伸长率比较。

盲孔法测残余应力培训资料

盲孔法测残余应力

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念 通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。 按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。 （2）应力作用 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用

寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 （3）应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变 （4）应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适

残余应力的产生与消除

残余应力的产生、释放与测量 一、残余应力的产生 产生残余应力的原因归结为三类：一是不均匀的塑性变形;二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。 根据产生残余应力机理的不同，可将其分为热应力和组织应力，车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。由于构件内、外部温度不均，引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的，淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。在相同冷却介质的情况下，淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大，均能导致淬火件内外温差增大，热应力越大。而加工过程中，由工件内外组织转变的时刻不同多引起的内应力成为“组织应力”。淬火时，表层材料先于内部开始马氏体的相变，并引起体积膨胀，由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制，于是在试样表层产生压应力，心部产生拉应力。随着冷却的进行，心部体积膨胀有收到表层的阻碍。随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大，在某个瞬间组织应力状态暂时为零后，式样的组织应力发生反向，最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。 二、残余应力的释放 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对

其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把工件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。 ③振动时效 振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后

残余应力测定方法(精)

第二章残余应力测定方法 残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。 物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。它们是无损的测量方法。其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。 机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。 从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。 一、分离法测量残余应力 切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。 （一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。切割后，再测应变计得到的释放应变。它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。 释放后的残余应力计算方法如下： 1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1） 2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。分割构件后测出ε1和ε2，计算残余主应力为： 3、如图被测点残余主应力方向未知，则需贴三向应变花（如图3.3所示）。连接应变仪调平后，沿虚线切割开，观察应变仪，直到切割处温度下降到常温时，测出再按（3）公式计算出主应力及其方向来。 （二）、套环法：在一些大型构件上，切割法有时难于进行，这时可采用套环法进行分离。其原理及贴片

铸件残余应力测量方法

铸件残余应力测量方法 铸件残余应力的测定方法可以分为机械测定法和物理测定法。机械法测残余应力是采用机械机械加工的手段，对被测铸件进行部分加工或完全剥离，使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放，使用电阻应变测量技术测出残余应力的方法，机械法最常见的是盲孔法。其优点是测量精度以及准确性高，缺点是会对构件造成一定程度损伤。物理测量法又叫非破坏无损伤测量方法，它无需对材料进行分割，可直接求得残余应力。物理法最常见的是磁测法，对构件无损伤，但测量成本比较高。目前较常用且适合铸件残余应力的分析测试技术主要就是盲孔法和磁测法。 盲孔法残余应力测量是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。盲孔法是工程中最通用的的残余应力测定方法，准确性最高，技术较为成熟，并且具有相关国家标准。 磁测法残余应力测量主要是通过测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生变化确定残余应力的大小和方向。铁磁材料其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过特定残余应力计算软件，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。磁性法检测工件须具有铁磁性，否则此方法无效。 铸件残余应力的检测，针对不同铸件和不同的测试目的选择最佳的测定方案，主要考虑以下几个方面：允许结构受损伤的程度；测试的应力种类；铸件性能变化的影响；现场测试的适应性；费用和时间。

梁应力应变测量

梁应力应变测量

梁应力应变测量 一、实验目的 1、了解电阻应变片的结构及种类； 2、掌握电阻应变片的粘贴技巧； 3、掌握利用电阻应变片测量应力应变的原理； 4、掌握动态测试分析系统的使用及半桥、全桥的接法； 二、实验内容 进行悬臂梁的应变测量 三、实验原理 1、电阻应变片的测量技术 将应变片固定在被测构件上，当构件变形时，电阻应变片的电阻值发生相应的变化。通过电阻应变测量装置（简称应变仪）可将电阻应变片中的电阻值的变化测定出来，换算成应变或输出与应变呈正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应力或应变值。 2、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。 常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。它由敏感元件、引出线、基底、覆盖层组成，用粘贴剂粘贴在一起，如图所示。

图1 电阻应变片结构 图2 电桥 3、应变片的测量电路 在使用应变片测量应变时，必须有适当的方法检测 其阻值的微小变化。为此，一般是把应变片接入某种电路，让它的电阻变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟这个电阻变化的电信号，之后，只要对这个电信号进行相应的处理（滤波、放大、调制解调等）就行了。 常规电阻应变测量使用的应变仪，它的输入回路叫 做应变电桥 ① 应变电桥：以应变片作为其构成部分的电桥。 ② 应变电桥的作用：能把应变片阻值的微小变化 转换成输出电压的变化。 U ) )((U 432142310?++-=R R R R R R R R )--KU(41][4U U 4321443322110εεεε+=?-?+?-?=R R R R R R R R 常用电桥连接方法有三种： （1）单臂半桥接法： R1作为应变片

焊接残余应力的测试

焊接残余应力的测试 一、实验目的 1.了解ASM1.0全自动应力、应变监测记录仪的结构和工作原理。 2.掌握应力释放法的测试原理及操作技术。 二、实验原理 焊接残余应力的测量方法，按其原理可分为应力释放法、物性变化法（X 射线法、磁性法）等，应力释放法又可分为小孔法（即盲孔法）、套孔法与梳状切条法（及全释法）。本实验采用小孔法进行测量。 对板钻小孔可以评价释放的径向应变。在应力场中去一直径为d 的圆环，并在圆环上粘贴应变片，在圆环的中心处钻一直接为d 0的小孔（图1），由于钻孔使应力的平衡受到破坏，测出孔周围的应力变化，就可以用弹性力学的理论来推算出小孔处的应力。设应变片中心与圆环中的连线与x 轴的夹角为α，其释放的径向应变r ε和钻孔释放的残余应力之间的关系，可按照带孔无线板的弹性理论，同时承受双轴薄膜应力x σ和y σ（理解为主应力）的条件求解。 ()()y x r B A B A σασαεcos cos +++= 2 021? ? ? ??+-=d d E A μ ??? ??? ????? ??-??? ??++-=4 02031421d d d d E B μμ 图1 小孔法所用的应变花示意图 为了完全确定未知的双轴残余应力状态（两个主应力σ1和σ2，以及主应力方向β），必须至少在圆环上的三个不同测量方向评价释放的径向应变r ε（如采用三个应变片组成的应变花）。常用的应变花布置是?=0α、?=45α和?=90α（对应00ε、45ε和90ε）。 ()()20090452009000 902,1--2-B 41 A 4εεεεεεε σ+±+=

三、实验设备及器材 1. ASM1.0全自动应力、应变检测仪一台 2. 残余应力打孔装置一台 3. 焊接铝板一块 4. 应变片、瞬干胶水若干 四、实验方法与步骤 1.将待测部位用砂纸磨至表面光亮，用酒精进行清洗，清除待测部位表面的杂志和氧化物，直到准备粘贴应变片的部位干净为止。 2.将502速干胶均匀涂于应变片背面，迅速把应变片粘在所测位置，轻压使其与工件表面紧密结合，应变片与金属之间无气泡无脱胶现象。 3.将应变片末端引线与应变仪连接的导线焊接。注意应使所有应变片的导线长度保持一致，以免产生电阻值的差异导致测量不准。将应变仪调零，用万用表检查应变片与工件绝缘程度和阻值变化情况。 4.设置残余应力相应参数，用直径为2.0mm的砖头在应变片中心处打出深2.0mm的盲孔，记录残余应力数据。 五、实验数据记录 六、实验结果整理及分析 1. 焊接残余应力测试过程中哪些因素容易引起测量误差？如何减小误差？ 1、应变片的粘贴质量。应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。

残余应力的测量方法

残余应力的测量方法 由于工件经过振动时效处理以后其残余应力降低，所以测定工件振动时效前后残余应力的变化量也是判断振动时效效果的方法之一。 1. 盲孔法： 它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。测量仪器；应变仪.盲孔钻. 应变花。 2.X射线法： X射线应力测定方法是利用X射线衍射测定试样中晶格应变求出工件表面应力的方法。但是由于χ光应力测定仪的测量精度较差.比较适合用于测定具有较大残余应力的工件，如普通纲件.焊接件 .淬火件等。З.磁性法： 磁性法测量残余应力是利用铁磁材料的压磁效应即在应力作用下.铁磁材料的各方向上的导磁率发生不同的变化，从而产生磁各向异性.通过对导磁率变化的测定来确定残余应力的方法。此法目前尚处于试验或试用阶段，我所正在进行探讨采用此方法的可能性。有关的数据处理方法在科学试验中，有着大量的测试数据，但是有时这些数据并不能使我们一目了然，而通过对这些数据进行科学的整理和分析，就可以帮助我们总结出许多现象和问提。目前，这一问提已经引起越来越多的科技工作者的注意和重视，我们试验中每批试件尺寸精度保持性的数据都是几百个，甚至上千多个，因此初步尝试用一些简单的数理统计方法分析.整理了大批试验数据，取得了一定的成效。 4.测量误差分析： 对大量的数据运用数理统计方法进行分析 .整理时，经常要用到算术平均值（X ）及离差（s ） 其表达式为：