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残余应力检测

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业务介绍

材料在生产制造和工作过程中,不可避免的会受到各种加工工艺和服役环境的作用,这些过程中都会产生残余应力。残余应力是指在构件加工或成形过程中,由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性,在形变后的变形体内保留下来的应力,是材料的固有属性。

A、按应力产生的原因,有热应力、相变应力、收缩应力。

B、按应力方向分有拉应力(力的方向向背的应力),压应力(力的方向相同的应力)。

C、按影响区域的大小分有:

类应力,亦叫宏观应力。它是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力。(通常残余应力指此类)

第二类应力,亦叫微观应力。它是存在与一个晶粒或几个晶粒内,并保持平衡的应力。

主要内容

钢铁企业自身的钢铁产品,无论是热轧、冷轧产品,还是硅钢、汽车板、中厚板和型线材,在钢材生产过程中因轧制、冷却、卷取、精整不适当而产生的残余应力。因对其规律认识不足,测量、消除与控制存在诸多障碍。

钢铁企业生产的钢铁产品在下游用户加工过程中因焊接、冷热成形、拉拔、切削、热处理等又重新形成的残余应力,即钢铁制成品中的残余应力。其测试与消除都有比较成熟的办法。

残余应力的危害

残余应力的危害主要是表现为尺寸稳定性或板形质量问题(见下图片)。

这种危害有很大的蒙蔽性:即出厂产品的各项性能、表面质量、规格和平整度等交货指标均完全满足用户的要求,但产品在到达用户手中进行相应的切割、焊接或冲裁时,因钢厂生产板材内部残留的较大残余应力的释放,不同程度地出现板料或零件的尺寸、形状发生变化,甚至发生板平面外的二次变形,使用户正在进行以及后续的加工、装配困难重重,甚至无法使用,还遗留很大的安全隐患。

1.翘曲

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2.尺寸改变

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3.弯曲

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4.开裂

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三、如何测量残余应力

1.有损测量法:

将具有残余应力的部件从构建中分离出来使得应力释放,测量其应变的变化求出残余应力.

优缺点:技术成熟,精度较高,但会对工件照成一定破坏.

常见方法:钻孔法,深孔法,全释放应变法,轮廓法,压痕法(近似无损)等.

2.无损测量法:

在不损害工件的前提下,测量残余应力的方法.

常见方法:X射线衍射法,超声法,磁测法,中子衍射法等.

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3.钻孔法

钻孔法在1934年由德国学者MatharJ提出,现已经发展的较为成熟。其原理就是在被测工件的表面贴上应变花,并对工件打孔,孔周围应力松弛,而形成新的应力/应变场分布J;通过标定应变释放系数A、B,基于弹性力学原理可推算出工件原有残余应力及应变。

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4.全释放应变法

全释放应变法是在含有残余应力的试件中,由于材料整体性切割分块后,原试件中残余应力发生变化导致尺寸发生相应改变,测量应变的变化量从而计算残余应力大小.

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5.压痕法

压痕法是通过球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法.其原理是在被测工件的表面贴上应变花,采用压头制造压痕,通过测量应变增量,与标定的弹性应变与应变增量关系计算残余应力。

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6.X射线衍射法

X 射线衍射法测量残余应力基于X射线衍射理论,晶体存在残余应力时,不同晶面间距随残余应力的大小发生规律性变化,通过测量晶面间距计算残余应力.是由俄国学者于1929年提出,经过多年发展,理论与实际测定方法都较为成熟,是目前应用最为广泛的一种无损残余应力测试方法.

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7.超声法

超声法测量残余应力基于声弹性效应,超声波在固体中传播速度取决于固体中的残余应力.在材料性能已知的情况下通过测量超声波波速从而计算残余应力.

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四、如何调控残余应力

残余应力对构件危害极大,因此控制及消除残余应力就十分必要。达到残余应力的调控消除的目的,常见有以下几种方式:

自然时效.自然时效是通过把零件暴露于室外,经过几个月甚至几年的时间,使其尺寸精度达到稳定的一种方法。这种时效方法虽然具有无污染,稳定铸件尺寸精度等优势,但时间长、占地广,后期还需进行除锈工艺。

热时效.把工件放进热时效炉中进行热处理,由室温缓慢均匀加热至一定温度后,保温4-8小时,再严格控制降温速度至较低温度以下出炉。热时效处理应用非常广泛,但耗时久,能源消耗大,且污染严重、成本高,工件受尺寸限制等。

超声时效法.利用大功率超声波推动冲击工具以高频冲击工件表面,使其表层产生较大压塑性变形,改变原有的残余应力场.

爆炸时效.使用爆炸产生的冲击波使工件发生塑性变形,从而达到消除残余应力的目的,常用于大型工件,周期短.

电磁时效.使用电磁膨胀使工件发生塑性变形,从而达到消除残余应力的目的.

检测标准

GBT_7704-2017_无损检测_X射线应力测定方法;

GBT_24179-2009_金属材料_残余应力测定_压痕应变法;

GBT_31218-2014_金属材料_残余应力测定 _全释放应变法;

GBT_31310-2014_金属材料_残余应力测定_钻孔应变法;

GBT_32073-2015_无损检测_残余应力超声临界折射纵波检测方法。

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