星空体育:应力测试方法的现状及发展趋势
文章出处:本站 人气:发表时间:2024-06-18 16:38
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。因此应力的测量及其状态评估一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、磁测法、衍射法、超声法。
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,并由Soete发展完善,使其具有实用性。经过数十年的发展,美国材料试验协会(ASTM)于1981年颁布了钻孔测量法残余应力标准(ASTME837—1981),并于2008年更新为ASTME837—08,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铣孔法。
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。
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,得到广泛应用,但在使用过程中应注意以下问题:
1)释放系数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,标准提出当钻孔中心与应变花中心的不重合度误差在(0.004~0.02)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Milbradt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,并在应变花周围铣一直径为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。
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