關(guān)于構(gòu)件的殘余應(yīng)力檢測（盲孔法檢測）
一、前言
（1）應(yīng)力概念
通常講，一個(gè)物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達(dá)到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。
按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：
第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。
第Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個(gè)晶粒或晶粒內(nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。
第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個(gè)原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。
在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力的測量技術(shù)最為完善，它們對(duì)材料性能和構(gòu)件質(zhì)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(xí)慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且一般指的都是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。
（2）應(yīng)力作用
機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。適當(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失去尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故。
（3）應(yīng)力的產(chǎn)生
在機(jī)械制造中，各種工藝過程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)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(yīng)力的調(diào)整
針對(duì)工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對(duì)其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)還可以引入有益的殘余壓應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問題。
通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：
①自然時(shí)效
把構(gòu)件置于室外，經(jīng)氣候、溫度的反復(fù)變化，在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下，使殘余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過一年自然時(shí)效的工件，殘余應(yīng)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(wěn)定性很好。但由于時(shí)效時(shí)間過長，一般不采用。
②熱時(shí)效
熱時(shí)效是傳統(tǒng)的時(shí)效方法，利用熱處理中的退火技術(shù)，將工件加熱到500～650℃進(jìn)行較長時(shí)間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱作用下通過原子擴(kuò)散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。從理論上講采用熱時(shí)效，只要退火溫度和時(shí)間適宜，應(yīng)力可以完全消除。但在實(shí)際生產(chǎn)中通常可以消除殘余應(yīng)力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。
③振動(dòng)時(shí)效
振動(dòng)時(shí)效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。其特點(diǎn)是處理時(shí)間短、適用范圍廣、能源消耗少、設(shè)備投資小，操作簡便，因此振動(dòng)時(shí)效在70年代從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)后在國內(nèi)被大力推廣。
④靜態(tài)過載法
靜態(tài)過載法是以靜力或靜力矩的形式，暫時(shí)加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時(shí)間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。用于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時(shí)間。
特別指出，靜態(tài)過載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。
⑤熱沖擊時(shí)效法
1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。
⑥超聲波時(shí)效法
超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國家得到推廣，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。
（5）應(yīng)力檢測方法
檢測振動(dòng)時(shí)效的效果實(shí)際上就是檢驗(yàn)工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對(duì)殘余應(yīng)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(huán)法等；另一類是定性測試：如振動(dòng)參數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。
①振動(dòng)參數(shù)曲線法
一項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效工藝是否成功，起最后的檢測方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動(dòng)處理過程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長時(shí)間和復(fù)雜的測試過程。通常在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過程中往往采用振動(dòng)時(shí)效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時(shí)間參數(shù)曲線測試法，并按JB/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)中第4.1條款或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)中的第6.2條款驗(yàn)收來實(shí)現(xiàn)。
A、幅頻特性曲線掃描法
在振動(dòng)處理過程中隨著殘余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現(xiàn)出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。
B、振幅-時(shí)間曲線監(jiān)測法
幅-頻特性曲線是在振動(dòng)處理的前后進(jìn)行的，且頻率在不斷的改變。有時(shí)為了獲得更好的曲線還需要將激振力調(diào)到最?。ㄆ淖钚〉臋n級(jí)）。采用頻率不變的同時(shí)畫出振幅隨時(shí)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(dòng)處理的有效時(shí)間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應(yīng)力的變化情況。
②盲孔法
應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點(diǎn)上鉆一小孔，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的殘余應(yīng)力測試方法。
③尺寸精度穩(wěn)定法
尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定期對(duì)構(gòu)件尺寸精度的測量來實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測構(gòu)件尺寸精度隨時(shí)間而發(fā)生的變化量，與熱時(shí)效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構(gòu)件在靜、動(dòng)載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統(tǒng)工藝（熱時(shí)效）相比，以鑒定振動(dòng)時(shí)效工藝的可行性。
二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
（1）檢測工件表面及內(nèi)部的綜合殘余應(yīng)力變化量。
（2）檢測工件在接受某種時(shí)效處理前后的殘余應(yīng)力變化量，以運(yùn)算其應(yīng)力消除率。
三、實(shí)驗(yàn)原理
目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)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(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。鉆孔的直徑和深度都不大，不會(huì)影響被測構(gòu)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(yīng)用比較廣泛的方法。
（一）理論公式的推導(dǎo)
當(dāng)殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布比較均勻時(shí)，可采用一次鉆孔法測量殘余應(yīng)力的量值。
用圖3.6表示被測點(diǎn)o附近的應(yīng)力狀態(tài)：σ1和σ2為о點(diǎn)的殘余主應(yīng)力。在距被測點(diǎn)半徑為r的Р點(diǎn)處，σr和σt分 別表示鉆孔釋放徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。并且σr和σ1的夾角為ф。
根據(jù)彈性力學(xué)原理可得P點(diǎn)的原有殘余應(yīng)力σ′r和σ′t與殘余主應(yīng)力σ1和σ2的關(guān)系如式（4）。
鉆孔法測殘余應(yīng)力時(shí)，要在被測點(diǎn)о處鉆一半徑為a的小孔以釋放應(yīng)力。由彈性力學(xué)可知，鉆孔后P點(diǎn)處的應(yīng)力σ″r和σ″t分別為式（5）
在一般情況下，主應(yīng)力方向是未知的則上式中含有三個(gè)未知數(shù)σ1，σ2和Ф。如果在與主應(yīng)力成任意角 的Ф1，Ф2，Ф3三個(gè)方向上貼應(yīng)變片， 由上式可得三個(gè)方程，即可求出σ1，σ2和Ф來。為了計(jì)算方便，三個(gè)應(yīng)變片之間的夾角采用標(biāo)準(zhǔn)角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，這樣測得的三個(gè)應(yīng)變分別為ε0，ε45和ε90即：
在有些情況下，公式（12）將會(huì)有所變化：
1.如果被測點(diǎn)的殘余應(yīng)力是單向應(yīng)力狀態(tài)，只要在應(yīng)力方向上貼一應(yīng)變片，鉆孔后即可測出應(yīng)變?chǔ)?span lang="EN-US">o，把Ф=0, σ2=0代入（11）式得
2.如果殘余應(yīng)力σ1和σ2的方向已知，則可沿兩個(gè)主應(yīng)力方向貼一應(yīng)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(xué)理論推倒而來的，式中的A、B值是通過計(jì)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(biāo)定釋放應(yīng)變與應(yīng)力的比例系數(shù)后，再計(jì)算殘余應(yīng)力，這種方法稱做實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法。
（二）實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法
如圖3.9所示，在距孔心r處貼片。為消除邊緣效應(yīng)的影響，取寬度b大于a的4-5倍的試件。在材料試驗(yàn)機(jī)上將沒有鉆孔的試件逐級(jí)加載，計(jì)算出試件的應(yīng)力σ，測出各級(jí)荷載下的應(yīng)變?chǔ)拧?span lang="EN-US">1和ε′2。然后取下試件用專用設(shè)備在試件指定部位上?？缀?，再重新拉伸，并測出?？缀蟮膽?yīng)變值ε″1和ε″2。
將兩種情況下同一級(jí)荷栽產(chǎn)生的應(yīng)變差求出后可見，鉆孔前后的應(yīng)變差與應(yīng)力成正比，即：
（21）式與（13）式具有完全相同的形式，它說明標(biāo)定法得到的A′,B′相當(dāng)于理論公式中的A,B。因此只要通過標(biāo)定法測得A′和B′后代入公式（12）中，即可得到主應(yīng)力方向未知的測點(diǎn)的殘余應(yīng)力σ1和σ2及其夾角Ф的數(shù)值。
當(dāng)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力沿厚度分布不均勻時(shí)，可采用分層鉆孔法求得各深度的殘余應(yīng)力。其方法是：等深度地逐層鉆孔測定每次的應(yīng)力釋放量。如果已知主應(yīng)力的方向，則有：
被測點(diǎn)鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計(jì)所測出的釋放應(yīng)變值很小，必須采用高精度的應(yīng)變計(jì)。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產(chǎn)生誤差的各種因素，其中最主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)，還有應(yīng)變測試誤差。一般來說鉆孔深度 h≥2a 即可。
（三）鉆孔設(shè)備及鉆孔要求
（1）.鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時(shí)要求對(duì)中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖，這種鉆具能較好地實(shí)現(xiàn)上述要求，借助4個(gè)可調(diào)節(jié)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(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。
（2）.鉆孔的技術(shù)要求：
①被測表面的處理要符合應(yīng)變測量的技術(shù)要求，直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地粘貼在測點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。
②鉆孔時(shí)要保證鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在±0.025 mm以內(nèi)。
③鉆孔時(shí)要穩(wěn)，機(jī)座不能抖動(dòng)。鉆孔速度要低，鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度漂移，孔周切削應(yīng)變?cè)龃笫箿y量不穩(wěn)定。為消除切削應(yīng)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(dòng)Al2O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花中心打孔標(biāo)志，噴吹表面而得一盲孔。這種方法實(shí)際上是一種磨削過程，其產(chǎn)生的熱量由氣流冷卻，加之切削量很小，因此打孔時(shí)引起的附加應(yīng)力較小，噴沙打孔法的測量精度較高。
