（机械制造及其自动化专业论文）x射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名： 钠乏在墨 z , 1 1 年月l ie l 屠卵一别咖 孙年 签 叨 币 = 硕士学位论文 x 射线法与应变片法表征残余应力的定量 关系研究 q u a n t i t a t i v er e l a t i o nr e s e a r c ho nc h a r a c t e r i z a t er e s i d u a l s t r e s sb e t w e e n x - - r a ym e t h o da n d s t r a i ng a u g em e t h o d 申请学位级别亟士专业名称扭撼剑造区墓自动丝 论文提交日期2 q 堡羔笙量且 论文答辩日期2 q ! ! 笙鱼且一一 学位授予单位和日期江蒸太堂2 q ! 至生鱼旦 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 表面残余应力是机械加工质量的重要指标之一，随着社会进步和 工程技术的发展，对表面残余应力的控制和检测要求愈来愈高。检测 残余应力的方法很多，但由于其检测原理、适用范围、物理本质不同， 目前尚无法建立不同测量方法的理论关系。因此开展不同残余应力检 测方法之间的定量关系研究具有重要的理论意义和工程价值。本文以 目前普遍应用的x 射线法和应变片法两种残余应力检测方法为研究对 象，分别从理论分析、装置设计、试验研究三个方面开展两种残余应 检测方法表征定量关系基础性研究。 首先，在分析x 射线法和应变片法测定残余应力的测量原理基础 上，针对拉压、弯曲、扭转等典型受力模型，开展x 射线法和应变片 法测量残余应力的定量关系研究，提出系统的x 射线法和应变片法表 征残余应力的定量关系研究方法与思路，该方法具有理论模型清晰、 数据处理与分析简洁的特点。 在此基础上，构建应力对比分析系统，该系统具有弯曲、拉压和 扭转三种加载模式。重点开展应力对比分析检测系统的加载单元与应 力检测单元进行方案优化与结构设计，实现了加载状况下的应变片法 动、静态应力测量，以及x 射线衍射应力的同步测量。 同时，开展x 射线法的定峰方法、背底处理与测量误差统计分布 规律研究，研究表明：x 射线衍射残余应力的测定结果服从正态分布 规律，检测分析7 0 5 0 铝合金的数值服从n ( 1 9 3 9 ，( 2 1 5 4 ) 2 ) 正态分布，为 进一步开展x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究提供依 据。 最后，在所构建的应力对比分析系统上，以7 0 5 0 铝合金弯曲加载 模式为研究对象，开展了x 射线法及应变片法测量残余应力的定量关 系实验研究，并进一步进行了测量结果、理论分析和a n s y s 有限元数 值模拟结果进行分析研究。研究结果表明：x 射线法测得的应力变化 x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 量、应变片法测得的应力与理论分析结果分布规律一致，证明了x 射 线法与应变片法表征残余应力定量关系研究的可行性，从而验证了本 文所提出的两种残余应力检测技术定量关系研究方法及应力对比分析 系统的可行性和合理性，为进一步开展不同残余应力测试方法的定量 关系研究奠定基础。 关键词：残余应力，x 射线，定量关系，误差统计，7 0 5 0 铝合金 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f a c er e s i d u a ls t r e s si so n eo fi m p o r t a n ti n d i c t o ri nm a c h i n i n g s u r f a c eq u a l i t y ，w i t ht h es o c i a l p r o g r e s s a n d e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，t h ec o n t r o la n dd e t e c t i o nr e q u i r e m e n t sa b o u tt h es u r f a c e r e s i d u a ls t r e s si n c r e a s i n g l yh i g h t h e r eh a v eal o to fm e t h o d sf o rm e a s u r i n g r e s i d u a ls t r e s s ，b u tb e c a u s ei t sm e a s u r i n gp r i n c i p l e ，s c o p eo fa p p l i c a t i o n ， d i f f e r e n c eo fp h y s i c a ln a t u r e ，s t i l lc a nn o te s t a b l i s hd i f f e r e n tm e a s u r i n g m e t h o d so ft h e o r e t i c a l r e l a t i o n s h i p s o r e s e a r c ht h er e s i d u a ls t r e s si n d i f f e r e n t m e a s u r i n gm e t h o d so ft h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i ph a sa n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n gv a l u e t h i sa r t i c l eb a s e d o n x r a ym e t h o da n d t h es t r a i ng a u g em e t h o do fc u r r e n tw i d e l ya p p l i c a t i o n r e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d sf o rr e s e a r c ho b j e c t ，f x o mt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，d e v i c ed e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht h r e ea s p e c t so ft w o r e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d sc h a r a c t e r i z a t i o no fq u a n t i t a t i v er e l a t i o n w a y sb e t w e e nb a s i c r e s e a r c h f i r s t ，o nt h ea n a l y s i sp r i n c i p l eo fx r a ym e t h o da n dt h es t r a i ng a u g e m e t h o dm e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s s ，f o rt e n s i o na n dc o m p r e s s i o n , b e n d i n g , t o r s i o na n do t h e rt y p i c a lb e a t i n gm o d e l ，d e v e l o p i n gm e a s u r i n gr e s i d u a l s t r e s so fq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nx - r a ym e t h o da n dt h es t r a i n g a u g em e t h o d ，p r o p o s i n gs y s t e m a t i cc h a r a c t e r i z e d r e s i d u a ls t r e s so f q u a n t i t a t i v er e l a t i o nr e s e a r c hm e t h o d sa n di d e a sb e t w e e nx - r a ym e t h o da n d t h es t r a i ng a u g em e t h o d ，t h i sm e t h o d sa n di d e a sh a sac l e a rt h e o r ym o d e l ， t h ed a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sc o n c i s eo fc h a r a c t e r i s t i c o nt h i sb a s i s ，c o n s t r u c t i o no ft h es t r e s sc o m p a r i s o na n a l y s i ss y s t e m ， t h es t r e s sc o m p a r i s o na n a l y s i ss y s t e mh a sb e n d ，t e n s i o na n dc o m p r e s s i o n ， t w i s t i n gt h r e el o a d i n gm o d e e m p h a s i z et ol o a du n i ta n ds t r e s sm e a s u r i n g u n i t o p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r a ld e s i g no ft h e s t r e s s c o m p a r i s o na n d a n a l y s i ss y s t e m ，a c h i e v e dt h es t r a i ng a u g el o a dc o n d i t i o n ，d y n a m i ca n d a n da n a l y s i st h ev a l u eo f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o yo b e yt h en ( 1 9 3 9 ，( 2 1 5 4 ) 2 ) n o r m a ld i s t r i b u t i o n ，t h i sc o n c l u s i o n sf o rf u r t h e rc h a r a c t e r i z a t i o no ft h e r e s i d u a ls t r e s sq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nx r a ym e t h o da n ds t r a i n g a u g em e t h o dp r o v i d eab a s i sr e s e a r c h f i n a l l y ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n7 0 5 0a l u m i n u ma l l o y sb e n d i n gl o a d m o d e 蕊t h er e s e a r c ho b j e c ta n dh a v ec a r r i e do u tq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p o fm e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s so nt h es t r e s sc o m p a r i s o na n a l y s i s s y s t e m b e t w e e nt h ex - r a ym e t h o da n dt h es t r a i n g a u g em e t h o d ，w e r ef u r t h e r a n a l y z em e a s u r e m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da n s y sf e mn u m e r i c a l r e s u l t s ，t h ec o n c l u s i o n so ft h es t u d yi n d i c a t et h a t ：t h es t r e s so fx - r a y m e t h o dm e a s u r e d ，t h er e s u l t so fs t r a i ng a u g em e a s u r e da n dt h es t r e s so f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s d i s t r i b u t e dc o n s i s t e n ts h o wt h e f e a s i b i l i t y o f c h a r a c t e r i z e dq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fr e s i d u a ls t r e s sr e s e a r c hb e t w e e n x - r a ym e t h o da n ds t r a i ng a u g em e t h o d w h i c hh a sv e r i f i e dt h ep r o p o s e d t w or e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pr e s e a r c hm e t h o d s a n dd e t e c t i o ns y s t e mf o rf u r t h e rt h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t y ，c a r r yo u t d i f f e r e n tw a y st ot e s tt h er e s i d u a ls t r e s sl a y st h ef o u n d m i o nq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p s o v e r i f y t h e p r o p o s e dt w or e s i d u a l s t r e s sm e t h o d so f q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pa n dt h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i ss y s t e mi sf e a s i b l e a n dr e a s o n a b l e ，t of u r t h e rr e s e a r c ht h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fd i f f e r e n t r e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n tm e t h o d s l a yt h ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ，x - r a yd i f f r a c t i o n ，q u a n t i t a t i v er e l a t i o n ，e r r o r s t a t i s t i c a l ，7 0 5 0a l u m i n u ma l l o y i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题研究背景1 1 2 残余应力检测技术研究现状1 1 2 1 残余应力的概念界定1 1 2 2 常见残余应力检测方法4 1 3 亟需深入研究的问题。6 1 4 本文主要研究内容。7 第二章材料残余应力检测原理。8 2 1x 射线测定残余应力的原理8 2 1 1x 射线法测定残余应力原理8 2 1 2 交相关定峰法基本原理9 2 1 3 交相关定峰方法的数据处理。1 1 2 1 4 衍射峰的强度因子校正。n 2 1 5 应力值计算及误差分析1 2 2 2 应变片法测定残余应力的原理1 3 2 2 1 应变片法测定残余应力原理。1 3 2 2 2 粘贴质量误差处理。1 5 2 2 3横向效应误差及处理措施1 6 2 3x 射线法与应变片法应力关系分析1 7 2 4 本章小结1 7 第三章应力对比分析检测系统软硬件的构建1 8 3 1 应力对比分析检测系统构建思路1 8 3 1 1 构建应力对比分析检测系统的技术路线1 8 3 1 2 应力对比分析检测系统实施方案1 9 3 2 应力对比分析平台的尺寸校核1 9 3 2 应力对比分析平台加载部分设计2 1 3 2 1 扭转系统设计。2 1 3 2 4 拉压系统设计2 2 3 2 2 弯曲系统设计2 3 3 3 应力对比分析检测系统构建2 3 3 3 1 动态应变仪器硬件搭建2 4 3 3 2 动态应变系统软件搭建2 5 3 3 3 静态电阻应变仪硬件搭建2 8 3 3 4 静态应变仪软件系统搭建。2 8 3 4 残余应力测定仪器改造与升级3 0 v x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 3 5 本章小结3 2 第四章x 射线测定残余应力误差的可靠性统计分析 4 1 弓i 言。3 3 4 2 理论分析。3 3 4 3 试验设计3 5 4 3 1 试验准备3 5 4 3 2 试验过程3 5 4 4 数据分析与处理3 6 4 5 本章小结3 7 第五章x 射线法与应变法关系应力表征的探讨 3 9 5 1 引言。3 9 5 2 理论分析4 0 5 2 1x 射线法测定残余应力的理论4 0 5 2 2 应变片法测定残余应力的理论4 0 5 3 实验设计4 1 5 3 1 实验准备4 1 5 3 2 试样制备4 1 5 4 实验方案4 2 5 4 1 实验参数选择4 2 5 4 2 检测点的选择4 2 5 4 3 试样初始残余应力4 2 5 4 4 试样初始补偿应变4 4 5 4 5 试样加载后产生的应变4 4 5 4 6 试样加载后的残余应力。4 5 5 5 实验结果分析与处理4 5 5 5 1 应变片产生的误差应力4 5 5 5 2 校正误差后试样实际应力值4 6 5 5 3x 射线法测量的应力值。4 6 5 5 4 试验结果处理与分析4 6 5 6 本章小结4 8 第六章研究结论及发展展望 6 1 研究工作的主要结论5 0 6 2 发展与展望5 0 参考文献 致谢 附录应变实验平台零件图与装配图 5 2 5 4 5 5 攻读研究生期间发表的论文与研究成果。6 3 v i 【 江苏大学硕士学位论文 图目录 图1 1 塑陛变形后钢中的铁素体与渗碳体的内应力2 图1 2 内应力分类示意刚1 5 j 3 图1 3 钻孔法应力释放原理图i 驯4 图2 1x 射线应力测定原理示意刚聊8 图2 22 0 - s i n 2 甲图 1 9 1 9 图2 3 交相关法确定衍射峰位之差【2 0 1 。1 0 图2 4 应力值误差刚1 3 图2 5 应变片敏感栅受力分析图【4 7 l ：1 5 图2 6 平面力作用下的试件主应变的测量。1 6 图3 1 应力测量模块原理图1 8 图3 2 应力对比分析检测系统原理图1 9 图3 3 扭转加载系统2 2 图3 4 定量加载系统2 2 图3 5 弯曲加载系统2 3 图3 6 应力测量模块原理图2 4 图3 7s t s s 1 动态应变采集模块2 4 图3 8 校正应变花连线示意图2 5 图3 9 工作应变花连线示意图2 5 图3 1 0 动静态模式选择界面2 5 图3 1 1 应变花分组设置2 6 图3 1 2 应力系统参数设定界面2 6 图3 1 3 应力应变数据显示界面2 7 图3 1 4 应变实时检测曲线2 7 图3 1 5 l 2 1 5 8 c 静态应变测量仪。2 8 图3 1 6 串口系统软件界面。2 8 图3 1 7 系统查询软件界面。2 9 图3 1 8 应力系统测量主界面2 9 图3 1 9x 3 5 0 a 型仪器电源部分3 0 图3 2 0x 3 5 0 型应力测试软件系统。3 1 图3 2 1 改装后的高压电缆3 1 图3 2 2x 3 5 0 型仪器改进及新增部分3 1 图3 2 3 改装后的测定仪机架部分。3 2 图3 2 4 改装后的数据采集插口3 2 图4 1s i n 2 v 法测量应力示意图。3 4 图4 22 0 _ s i i l 关系曲线图。3 5 图4 3 应力分析方框图3 7 图5 1x 射线应力测定原理示意图【捌4 0 图5 2 加载点的位置4 2 图5 3s a m p l e1 的a 点处x 衍射分析结果4 3 图5 4 试样加载后的应力4 3 图5 5 试样加载后的应变值4 5 图5 6a n s y s 模拟应力分布图4 7 图5 7a n s y s 应力曲线图4 7 图5 8 试样s a m p l e1 的a 点处残余应力分布。4 8 v x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 表目录 表3 1 试验平台标准件选型2 1 表4 17 0 5 0 铝合金化学成份3 5 表4 27 0 5 0 铝合金残余应力测试误差3 5 表4 3 残余应力数据统计分析3 6 表5 17 0 5 0 铝合金化学成份4 1 表5 2 试样加载力矩4 2 表5 3 试样表面初始残余应力值4 3 表5 4 试样表面初始补偿应变值。4 4 表5 5 加载后的应变量4 4 表5 6 加载后的残余应力值4 5 表5 7 加载前补偿应力值4 5 表5 8 误差补偿后的实际应力值4 6 表5 9x 射线衍射法测量的应力值4 6 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了国内外残余应力检测技术的研究现状，概述了各种残余应力检测 方法与原理，分析了当前残余应力检测技术中亟待解决的问题，进而阐述了本文 研究的主要内容及意义。 1 1 课题研究背景 残余应力的测量是对工件性能检测的重要手段之一，关于残余应力测定及其 对材料性能影响的研究日益为工程技术所重视，成为材料科学和力学中相当活跃 的一个分支【1 1 。 近十几年来，残余应力问题已引起科研和工业领域的广泛重视，研究工作已 逐步展开并取得初步成效，但对残余应力各种测量方法之间系统性的研究很缺乏， 更是缺少针对性的研究。例如，在解决工程问题中需要测定残余应力。受测量条 件或试样材料的影响，会遇到选择测试方法的问题。选择时一定要针对具体情况， 如材料的种类( 黑色金属还是有色金属，或两者兼而有之) 、零件的尺寸大小、被 测工件允许遭到破坏的程度、测量精度要求等【2 】。 各种残余应力测试方法的测量原理不同，物理本质、材料特性要求、外界环 境要求等影响因素的敏感程度不同，因此造成不同方法的适用范围不刚3 】，尤其是 各种方法的测试值在深度方向具有有着不同程度及方式的平均化作用，这往往导 致因缺少统一对比基准而无法建立各种测量方法的测量结果的定量关系【4 】。从目前 有关材料中残余应力测试技术发展状况来看，首先需要对各种方法进行深入研究， 摸清其规律性和各种影响因素。然后在广泛深入交流的基础上开展有针对性的对 比测试研究，从而获得各种测试结果应力定量关系【5 1 。 1 2 残余应力检测技术研究现状 1 2 1 残余应力的概念界定 通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力 叫作内应力。在我国普遍采用的内应力的分类方法是前苏联学者h h 达维金科夫 于1 9 3 5 年提出的 6 1 。该分类方法虽然亦考虑了应力场作用范围，但是其核心的依 据是各类内应力对晶体x 射线衍射现象具有不同的影响。即在宏观尺寸范围内平 x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 衡的第1 类内应力引起x 射线衍射谱线位移，在晶粒尺寸范围内平衡的第1 i 类内 应力使谱线展宽，在单位晶胞内平衡的第1 i i 类内应力使衍射强度下降。该内应力 分类体系在国内出版的教材中仍普遍采用【3 、7 l 。 然而，有人早在1 9 5 1 年就证明了第1 i 类内应力也会引起x 射线衍射线的位移 i s 。稍后研究发现，( 叶d ) 双相黄铜经3 的拉伸后，a 相的晶粒具有压力，d 相 的晶粒具有张应力【9 】。再如在钢中，变形后铁素体存在压应力，而渗碳体处于拉应 力状态【蛉1 1 】。图1 1 是在含碳量为1 6 的含碳量上经相对较小的塑性变形后测得 的结果【1 2 1 。选择如此高含碳量的钢是为了使钢中渗碳体的相对量尽可能多。 由图1 1 可见，在渗碳体上测得的拉应力数值相当于铁素体中存在的压应力的 绝对值的两倍。对于这样的材料，如果用x 射线衍射法对其中的某一相进行第1 类内应力测定，发现沿全截面应力不平衡的反常现象。有人把x 射线应力测定时 叠加在测得的第1 类内应力上的第1 i 类内应力称为“伪宏观应力 ( p s e u d o - m a c r o s t r e s s ) ，【1 3 1 。 时 山 窆 r 趟 鼷 o 。 之 渗碳体 入 v ，铁素体 弋 ov k 0 口l 应变值2 1 0 之3应变值1 0 。 图1 1 塑性变形后钢中的铁素体与渗碳体的内应力【1 1 l f i g1 1p l a s t i cd e f o r m a t i o no fs t e e li nt h ef e r r i t ea n dc e m e n t i t es t r e s s 1 1 1 1 针对残余应力概念的混乱情况和上述文献所提示的异常现象，德国著名学者e 马赫劳赫( e m a c h e r a u c h ) 于1 9 7 3 年对材料中的内应力重新进行了分类【1 4 1 。联邦德 国热处理协会经过详细讨论，考虑到目前认识水平，同意今后关于内应力的讨论以此 分类法为基础。这一分类方法也逐渐得到世界其它国家科技人员的赞刚1 5 1 。 该分类方法仍把材料的内应力分为三类，定义如下： 第1 类内应力( 记为or ) 在较大的材料区域( 很多个晶粒范围) 内几乎是均 匀的。与第1 类内应力相关的内力在横贯整个物体的每个截面上牌平衡。与盯；相 关的内力矩相对于每个轴同样抵消。当存在盯；的物体的内力平衡和内力矩平衡遭 2 江苏大学硕士学位论文 到破坏时总会产生宏观的尺寸变化。 兀 第1 i 类内应力( 记为dr ) 在材料的较小范围( 很多晶粒范围内的区域) 近乎 丌 均匀。与g 相联系的内力或内力矩在足够多的晶粒中是平衡的。当这种平衡遭到 到破坏时也会出现尺寸变化。 一】1 1 第类内应力( 记为d ，) 在极小的材料区域( 几个原子间距) 内也是不均匀 的。与“相关的内力或内力矩在小范围( 一个晶粒足够大的部分) 是平衡的。当 这种平衡遭到破坏时，不会产生尺寸变化。 在上述定义中，晶格均匀意味着在大小和方向上是一定的。图1 2 是在一个单 相多晶体材料中第1 类内应力分布示意图。由图1 2 可见，第1 类内应力可理解为 存在于各个晶粒的数值不等的内应力在很多晶粒范围内的平均值，是较大体积宏 观变形不协调的结果。因此，按照连续力学的观点，第1 类内应力可以看作与外 载应力等效的应力【1 6 1 。第1 i 类内应力相当于各个晶粒尺度范围( 或晶粒区域) 的 内应力的平均值。它们可归结为各个晶粒或晶粒区域之间变形的不协调性。第 类应力是局部存在的内应力围绕着各个晶粒的第1 i 类内应力值的波动【1 7 1 。对晶体 材料而言，它与晶格畸变和位错组态相联系。在这个物理模型中第1 i 类内应力是 十分重要的环节。正是通过它才能将第1 类与第类内应力联系起来，构成一个 完整的内应力系统【1 8 1 。 o 图1 2 内应力分类示意图【1 4 1 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es t r e s sc l a s s i f i c a t i o n 1 4 1 3 x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 1 2 2 常见残余应力检测方法 1 2 2 1x 射线法【1 9 1 x 射线法又称x 射线衍射法，的应力测定主要是依据布拉格定律，通过测定衍 射角2 臼，便可以计算出衍射晶面间距d 。 2 d s i n 0 = n 2 ( 1 - 1 ) 式中：d 为晶面间距；2 秒为衍射角；力为x 射线波长；力，j 局缴厚。 假定被测材料为晶粒不粗大、无织构的多晶体，在一束x 射线照射范围内应 该有足够多的晶粒，而且所选定的晶面的法线在空间呈均匀连续分布。 我们按倾角大小依次确定晶面法线通过衍射可以分别测定对应于这组法线的 晶面间距d o 、d 1 d n 。容易看出，如果这些晶面间距在测量误差范围内是相等的， 表明材料中无应力；如果晶面间距依次增大，表明存在拉应力；相反，如果依次 递减，则表明存在压应力。令衍射晶面法线与试样表面法线之夹角为、王，并称之 为衍射晶面方位角。这样又可以说，晶面间距d 随着晶面方位角甲增大而递增或 递减就表明材料表面存在拉应力或压应力，自然，递增或递减的急缓程度就反映 了应力值的大小。 1 2 2 1 钻孔法 钻孔法是应变片法测量残余应力的典型应用，钻孔法检测残余应力的基本原 理( 见图1 3 ) 。一块各向同性的板材中假定存在残余应力q ，若钻- d , 孔，则孔 边的径向应力释放后为零，孔周围区域的应力也将重新分布，应力变化曲线如图。 曲线上方阴影线的区域为释放应力( 见图1 3 ) ，在孔周围区域内释放应力的梯度 很大，离孔周边愈远，释放的应力越小【2 0 l 。 应力释放部分 4 图1 3 钻孔法应力释放原理图【2 0 1 f i g1 3s t r e s sr e l i e fd r i l l i n gm e t h o do fs c h e m a t i c 2 0 i 力 江苏大学硕士学位论文 钻孔法的标准规定采用专门的箔式应变花和电阻应变仪来测量孔周围释放的 应变。应变花的中心钻孔的标记。通常表面残余应力为平面状态，所以需要三个 应变敏感栅。由于测量的是敏感栅长度的平均应变，故每个敏感栅的长较短。每 个敏感栅的中心位于同一半径上。 1 2 2 3 环芯法 环芯法测定残余应力的基本原理。在一个各向同性材料上某一区域内假定存 在双向残余应力场，其最大、最小主应力分别为和。在该区域内的表面粘贴一应 变花，再以应变花为中心加工一个环芯直径，槽深的圆环槽。这样环芯区域的残 余应力被部分或全部释放( 释放程度与槽深有关) ，粘贴在环芯表面的应变花可感 受到释放应变。根据测得的释放应变通过力学分析，计算出残余应力的大小与方 向。以环芯法测得是环槽所围区域表层一定深度内的残余应力平均值【2 1 】。 环芯法对零件的破坏比钻孔法大，加上目前缺少统一的标准和专用的环槽加 工设备，因此应用不及钻孔法普遍【捌。但是环芯法在一些大型锻件上的成功测试 结果说明该法具有良好的应用前景【纠。 1 2 2 4 磁性应变法 磁性法是无损地测定残余应力的有效方法之一，目前在国内外已有较多的实 际应用。磁性应变法的基本原理是基于铁磁性材料( 如低碳钢等) 的磁致伸缩效应， 即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化。反过来铁磁体在应力的作用下其磁化状 态( 导磁率和磁感应强度等) 也会发生变化，这样通过测量磁性变化可以测定铁磁材 料中的应力i 纠。 磁阻的变化可用桥式电路来测量。从有应力试样的输出电流i 的大小可计算被 测试的应力。在平面应力状态下，探头的磁通量是两主应力和探头磁极的方向与 主应力方向间夹角的函数。测量时转动探头，在最大主应力方向因导磁率和磁感 应强度最小，故输出电流也最小；在最小主应力方向则反之。所以由电流表读数 的极小值与极大值可以确定主应力方向闭。 1 2 2 5 声弹性法【2 6 】 声弹法测定应力是无损测量方法中颇具有发展潜力的一种方法。它是通过超 声波在材料内部的传播特性，利用应力引起的声双折射效应测量出超声传播路径 的平均应力。因此通常又简称为超声法。 用声弹性法测量应力的基本原理和光弹性法测应力的原理十分相似。对于垂 5 x 射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研究 直于平面应力作用下传播的超声横波，其沿主应力方向q 及吒传播的两个横波分 量的传播速度巧v 士，1 及巧v t , 2 之差与主应力之差成正比，即 ( v t ，一v t ，z ) 0 2 s t ( o i o 2 ) ( 1 - 2 ) 式中：v t , 0 是超声横波在无应力各向同性固体中传播的速度； s t2 ( 4 , u + n ) 8 , u 2 ，称为横波声应力常数，是与拉美常数和三阶弹性常数一有关 的物理量。 在众多的测量声速的方法中，以“脉冲回波重合法( p u l s ee c h oo v e r l a p m e t h o d ) 在测量声速方面取得了突破性进展【2 5 1 。它也是通过侧量超声脉冲在一定 长度的物体中的传播时间来算得声速的，在本质上属于位相比较法。脉冲超声波 在衰减系数不大的金属中产生的多次反射波由换能器接收后，将同一次发射产生 的两个不同的反射波显示在示波器上，并设法使它们完全重合，从而准确地测出 脉冲超声波的传播时间，排除了其它额外延时的干扰。国内研制的仪器多采此法 测量声速。也正是由于这一点，所测得的应力是超声波透人深度( 或通过的整个截 面上、l 的平均应力陶。 文献【2 7 】用自己研制的l c y - 1 型超声声速测定仪成功地测定了紧固螺栓的轴 向应力。文献f 5 1 研制的超声波波速测量仪测量了a s 0 8 3 p 铝合金氦弧焊对接焊试 样的焊接残余应力。这是国内少数几例关于声弹性法测定残余应力的报导，显然 也仍处于试验阶段。 1 3 亟需深入研究的问题 由于残余应力各种测试方法所依据的原理、物理本质、适用范围、材料特性 要求不同，外界环境要求等影响因素的敏感程度不同，因此造成的适用的范围是 不一样的【2 】。所以用测试值进行简单的对比实际上缺乏统一的基准。犹如，力学性 能试验中的硬度测试，洛氏硬度( h r a h r b h r c ) 、布氏硬度( h b ) 、维氏硬度( h 、，) 都是压 入法硬度试验，里氏硬度o i l ) 、肖氏硬度