冲击压痕法在残余应力测定中的一些应用
作者 光风霁月 来源:振动时效设备资料网 浏览: 发布时间:09-01-01
冲击压痕法在残余应力测定中的一些应用
王庆光
中国第二重型机械集团公司大锻所
四川德阳，邮政编码：618000
[摘要] 通过在工件表面采用冲击加载的方法制造出一定尺寸的球冠形压痕造成外加应力场，根据外加应力场和工件的残余应力场叠加引起的应变增量计算残余应力，此方法基本上不损伤被测工件，有一定的工程实用性。适合硬度在HRc50 以下的焊接件焊缝或有无损要求的工件其残余应力的测定。
关键词：压痕法、残余应力、HRc50
A Applied in Residual Stress Measurement by Impact Indentation Method
Wang Qingguang
Heavy Casting & Forging Research Institute of China National Erzhing Group Co.
Abstract: This paper introduces a method for Measure residual stress, that made a Indentation by impact, the impact stress and residual stress made a produce a new stress. Determination the impact indentation strain with new stress, you may be measured for residual stress of parts. It is a determination method for parts on Nondestructive and blower hardness HRc50 .
Key word: Impact Indentation Method; Residual Stress；HRc50
1．引言
冲击压痕法测定残余应力在理论上属于应力叠加法，它是目前常用的物性法（如Ｘ射线法、磁性法）和机械应力释放法（如盲孔法）之外的一种残余应力测定方法。冲击压痕法测定残余应力是通过在原来的应力场上叠加一个附加应力场，根据叠加应力场引起的应变增量来计算原始的残余应力。此方法基本上不损伤被测工件，设备简单，操作方便，有一定的工程现场实用性。
2．压痕法测定残余应力的基本事项和主应力的计算
2．1 压痕法测定残余应力的基本事项
冲击压痕法应变测量过程和步骤与钻孔法相似：即表面处理，粘贴应变计，施加附加应力场，测量应变增量和残余应力。
采用冲击压痕法测定残余应力在实际测定中我们选用的是中航电测公司生产的应变计，型号为BE120—2BA。应变计型号选用的依据一是与机械式压痕冲击装置的尺寸相关，二是要保证测量的灵敏度。应变仪为金属研究所与鞍山市电测技术研究所合作开发生产的专用于压痕法测量的应变仪。附加应力场采用机械式冲击装置，其头部镶有直径1.5mm 的轴承钢球。通过弹簧施加一定的冲击力制造出一定尺寸的压痕。
工件的表面处理粗糙度约在6.3 左右，对切削或磨削的表面，应考虑采用电解抛光的办法对表面进行处理，以去掉由切削或磨削引起的附加应力。
应变计粘贴后要注意要有一定的固化时间，以达到一定的固化强度，具体时间可随现场环境通过试验确定。
在焊接情况下，焊缝残余应力区的主应力方向与焊缝方向基本一致。轴类件可沿轴向和切向测定工件的残余应力。一般情况下，也可用磁性应变法测出待测点的主应力方向，然后按主应力方向粘贴双向垂直应变计。如果所测区域的拉应力不超过材料屈服强度的1/2，也可按实测应力方向贴应变计。
在实际测量当中， 作为一种试验方法，对不同的材料要先进行材料标定。通过标定确定的基本参数要输入仪器的参数设置中，而后对同类材料通过测定应变增量即可直接进行残余应力的测定，需要指出的是标定试板的物理状态（如铸造、锻造、热处理等）应与实测工件的物理状态相同。
2．2 主应力的计算
主应力的计算基于下式：
σ1=E（εe1+γεe2）/（1-γ2）
σ2=E（εe2+γεe1）/（1-γ2）
式中σ1，σ2为主应力，E 为弹性模量，γ为泊松比，εe1，εe2为弹性应变。
上述主应力计算公式的建立基于二个基本试验规律：
a.相同尺寸的球冠形压痕在残余应力场的主应力方向上产生的应变增量与主应变成正比。
b.在相同的残余应力场中，在主应力方向上，球冠形压痕直径与其在压痕中心固定距离位置上产生的应变增量成正比。
3．冲击压痕法测定残余应力的应用 我们采用冲击压痕法对转子、轧辊、叶轮、水电大轴、焊接结构件等各类工件进行了大量的测试，从实测情况来看，该方法在测试时要注意下面的几个问题：
3.1 实际工件的硬度都是在一定的范围内分布，而机械式冲击装置施加的力是一定的，这就影响到压痕尺寸的一致性，因为冲击压痕法测定残余应力和压痕尺寸有关，这就会给最终结果带来一定的偏差。在实际测试当中必须注意要保证压痕的尺寸，在充许的尺寸变化范围内（1.0-1.2），对不同的材料注意与标定时压痕的尺寸一致。
3.2 由于冲击压痕法测试残余应力主要是在表面0.3～0.6mm 之间，测试时工件表面车削和磨削加工引起的残余应力对测试结果的影响极大。必需加以消除，可以采用电解抛光的方式去掉机加影响层。
3.3 测量结果
测定结果的误差包括：
1、设备本身的误差；
2、应变计对中误差；
3：压痕尺寸误差；
3.4 下面是几种工件采用冲击压痕法测试残余应力的部分结果和几种残余应力测试方法测试结果的比较。从表1 中可以看到采用冲击压痕法测试残余应力对一些产品是可行的。从表2 中可以看到，冲击压痕法与机加切环法的比较情况来看，冲击压痕法替代机加切环法是可行的，但冲击压痕法与盲孔法相比有时差别较大。从表3中可以看到，冲击压痕法与环芯法的测试结果有时可以比较。由于费用原因，冲击压痕法与射线法和盲孔法比较的数据太少，不足以说明问题，表中列出仅供参考。表4顺便介绍一下利用不同的消应方法消除焊接结构件残余应力的效果。表4 中除振动消应采用的盲孔法测试外，其它均采用冲击压痕法测试。
表1. 冲击压痕法测定残余应力的部分结果
Table.1 some result of residual stress by Impact Indentation Method
表2. 冲击压痕法与机加切环法或与盲孔法测定残余应力的比较
Table.2 comparison about Impact Indentation Method, X-Ray Diffraction, Hole-drill method
表3 环芯法、射线法、冲击压痕法、盲孔法残余应力测试对比
Table.3 comparison about Ring method , X-Ray Diffraction, Impact Indentation Method，Hole-drill method
表4 几种不同消应方法的消应效果
Table.4 Result of some method to Stress Relief
注：振动消应件焊后喷丸
4、结论
采用冲击压痕法测定残余应力方法简便，基本上不损伤被测工件，有一定的工程实用性。适合硬度在洛氏50 以内的，有无损要求的焊接件焊缝或轴对称类工件轴向和切向残余应力的测定。在实际测试中测试步骤、方法要严格规范。特别是压痕直径尺寸（1.0mm-1.2mm）要保证。对高残余应力状态下如焊缝、淬火后状态的零件，测定的灵敏度更好些。采用冲击压痕法测定残余应力，如果是没有标定过的材料必须先进行材料标定。标定试板的组织状态应与实测工件的组织状态相同。
本文就冲击压痕法测试方法和在一些产品方面的应用作了一些介绍，受经费限制，很多方面的研究尚不够深入，需要进一步努力，希望行业同仁不吝赐教。就方法本身和几种测试方法的比较进行研究，共同促进残余应力测试水平的提高。谢谢！
参考文献：
1．陈亮山、董秀中等，冲击压痕法测定残余应力研究，第七届全国焊接学术会议论文集.第五册：5—21
2．林丽华、陈立功等，用数值分析方法探讨静载压痕残余应力测量方法，第八次全国焊接会议论文集，2-696。
3.[日]米谷茂，残余应力的产生和对策，朱荆璞，邵会孟译，北京，机械工业出版社，1983
4.张定铨，何家文，材料中残余应力的X 射线衍射分析和作用，西安交通大学出版社
作者简介：王庆光，（1957 年5 月）男，1983年毕业于吉林工业大学，
高级工程师，多年从事残余应力研究，现为中国残余应力学术委员会委员。
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