[发明专利]一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置

说明书

本发明公开了一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置，该方法先将试样经过适当打磨擦拭预处理，并采用铝箔作为过渡带牢固粘贴到切割路径上，采用专用的直线型慢走丝线切割装置，将粘有过渡带的试样沿待测面切开后，使用激光轮廓仪扫描切割面获得变形轮廓数据，经过数据处理得到应力释放前后切割面上各点的位移变化。利用应力‑应变的关系采用有限元分析后最终获得整个截面的残余应力分布状况。该测试方法可以获得整个截面的应力分布状况，且对测试构件无形状材料等方面的要求，具有经济高效，操作简单的特点。方法中过渡带的使用降低了边界效应的影响，提高了测试精度。

技术领域

本发明涉及残余应力检测领域，具体地说是涉及一种结构内部残余应力的测试方法和相应的测试装置。

背景技术

残余应力是威胁服役构件安全性的主要因素，它不仅会降低构件的强度，产生变形、裂纹等缺陷；还会降低材料的断裂韧性、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能，与外载荷相互叠加之后，会大大增加设备失效风险。在能源、化工、航天、交通等服役环境比较复杂和恶劣的领域，倘若残余应力没有得到有效的检测和控制，往往会造成难以估计的经济和社会损失。因此，需要利用残余应力测量技术准确检测构件应力状态，以对其安全性能和使用寿命进行评估。

常用的测量方法主要分为机械法和无损检测法两大类：机械法是利用应力释放与应变的关系，通过机械方法去除一部分材料使剩余部分在残余应力作用下产生形变，利用一定手段获取变形量，最后利用弹性力学方法计算得到初始应力状态。它们的优点是测量误差小，精度高，技术成熟，测试理论完善，广泛应用在现场测试。机械法的典型代表有钻孔法、环芯法、深孔法、裂纹柔度法、层削法等。无损检测法通常是利用物理方法将材料内部应力状态与某种物理性质建立关联，通过测量材料物理性质的变化来计算得到应力或应变状态。无损检测最大的优势在于不会对试件产生破坏，但一般依赖于昂贵的检测设备和严苛的检测条件。典型的无损检测方法有X射线衍射法、中子衍射法等。下面列举几种常用残余应力测试方法：

(1)钻孔法的测试过程如下：在待测试样上钻一小孔，孔周围应力得到释放，根据事先粘贴在小孔周围的应变片测量的孔周围应变计算出应力。根据是否钻通试样又分为通孔法和盲孔法。钻孔法损伤范围小、操作简单、设备费用低、测量精度高，因此被广泛应用于工程上测量表面残余应力。但由于钻孔直径小，应力释放有限，只适用于小范围的测量。并且标准中规定钻孔法测试残余应力范围不应超过材料屈服强度的一半，对于较高水平的焊接残余应力的测量会存在较大误差。

(2)环芯法也广泛应用于残余应力测试，测试时在工件表面加工一个环形槽，中间区域即为环芯。随着环槽材料的去除，环芯部位应力得以释放而产生变形，利用粘贴在环芯表面的应变测量环芯部位的应变即可计算出局部应力大小。环形槽内径约为15～150mm，深度约为内径尺寸的25％～150％。环芯法的优点在于可测应变范围大，且应变易于检测。

(3)深孔法是结合钻孔法和环芯法而发明的一种新型残余应力测试方法。测量时在试样上钻一个直径很小的小孔(一般低于3mm)，精确测量出小孔的直径，然后以小孔为中心加工一个环槽，与环芯法相似，应力释放导致小孔的内径发生变化，通过测量小孔在某一深度不同方向的直径变化来获得应变数据，进而计算得到残余应力分布。深孔法的优势在于可以测出工件内部较深的残余应力，并对小孔深度各个方向的应力进行测量。但测试结果仅为局部应力，对于大型或应力分布不均的试样需要进行多次钻孔测量，操作较为繁琐。

(4)裂纹柔度法是一种基于断裂力学原理的测量手段。测试方法是在待测试样(通常是板材)表面加工一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力，利用表面粘贴的应变片测量对应的应变随裂纹深度的变化来计算残余应力。但前提是假设试样为均匀材料，且残余应力只沿厚度方向改变，同一板厚上长度和宽度方向的应力均保持不变。