專利名稱：一種剩余殘余應(yīng)力的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量測試領(lǐng)域，具體是一種根據(jù)剩余應(yīng)變測定剩余殘余應(yīng)力的方法。
在現(xiàn)有技術(shù)中，殘余應(yīng)力的傳統(tǒng)測試方法很多，分為損傷測試法、無損測試法和計(jì)算法。其中，損傷測試法種類繁多，包括切條法(完全破壞)、切槽法、鉆孔法、套孔法、盲孔法、壓痕法、沖擊壓痕法、剝層法等，其測試精度高，但被測工件受到不同程度的破壞，因此適用性受到很大限制；無損測試法包括X射線衍射法、超聲波法、磁聲發(fā)射法、磁性法、脆性涂層法、硬度測試法、全息干涉法等，其原理是通過測量由殘余應(yīng)力引起的材料某種物理參數(shù)的變化，來間接地測量殘余應(yīng)力的大小和方向，因此不會破壞待測工件，適用范圍廣，無損測試法中只有X射線衍射法比較成熟，它不受場地限制，可測量應(yīng)力變化梯度大的應(yīng)力分布，但它僅適用于測量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足虎克定律的金屬材料，而且X射線應(yīng)力測定儀價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，而且有礙人體健康。
為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種適用于材料屈服后的情況、不需專用儀器和特定工序、操作簡便、結(jié)果可靠的測定剩余殘余應(yīng)力的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是適用于單向應(yīng)力狀態(tài)，具有如下操作步驟1)在試樣殘余拉應(yīng)力最大的區(qū)域，沿平行于殘余應(yīng)力的方向粘貼應(yīng)變片，并記錄初始應(yīng)變占ε1；2)加載，其加載應(yīng)力的方向應(yīng)與殘余應(yīng)力的方向一致，記錄應(yīng)變儀的卸載前應(yīng)變值占ε2；3)卸載，并讀出應(yīng)變儀的卸載后應(yīng)變值占ε3；4)把剩余應(yīng)變占εr=ε3-ε1作為塑性應(yīng)變，并根據(jù)具體材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線獲得應(yīng)力
的意義與條件屈服強(qiáng)度度σ0.2相同5)根據(jù)構(gòu)件形狀、材質(zhì)、力學(xué)性能參數(shù)和所施加的外力，或應(yīng)變儀的卸載應(yīng)變和材料的彈性模量計(jì)算加載應(yīng)力σa；6)根據(jù)公式
計(jì)算剩余殘余應(yīng)力σr。
所述試樣為具有近似單向殘余應(yīng)力分布的直焊縫寬板，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為
或σa＝E(ε2-ε3)，其中b為板材的寬度，t為板材的厚度或者容器壁厚，F(xiàn)為拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的拉力，E為材料的彈性模量；所述試樣為壓力容器縱向直焊縫，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為
，其中p為容器內(nèi)壓，a為容器半徑，t為板材的厚度或者容器壁厚。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明能適用于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不滿足虎克定律情況(材料屈服后)，具有不需專用儀器和特定工序的特點(diǎn)，只需對構(gòu)件施加一定的載荷，使殘余拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生一定的屈服量，同時進(jìn)行常規(guī)應(yīng)變測試，測出剩余應(yīng)變，即可根據(jù)
式和材料的拉伸曲線計(jì)算出剩余殘余應(yīng)力，操作簡便，成本低廉又無害于健康；另外，本發(fā)明結(jié)果可靠，經(jīng)過三桿拉伸模型驗(yàn)證，誤差不超過千分之四。
下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明的基本原理和操作過程作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
對于單向應(yīng)力狀態(tài)，操作步驟如下1)在試樣殘余拉應(yīng)力最大的區(qū)域，沿平行于殘余應(yīng)力的方向粘貼應(yīng)變片，并記錄初始應(yīng)變ε1；2)加載，其加載應(yīng)力的方向應(yīng)與殘余應(yīng)力的方向一致，記錄應(yīng)變儀的卸載前應(yīng)變值ε2；3)卸載，并讀出應(yīng)變儀的卸載后應(yīng)變值ε3；4)把剩余應(yīng)變εr＝ε3-ε1作為塑性應(yīng)變，并根據(jù)具體材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線獲得應(yīng)力 ，所述 的意義與條件屈服強(qiáng)度σ0.2相同；5)根據(jù)構(gòu)件形狀、材質(zhì)、力學(xué)性能參數(shù)和所施加的外力，或應(yīng)變儀的卸載應(yīng)變和材料的彈性模量計(jì)算加載應(yīng)力σa；6)測定剩余殘余應(yīng)力σr的公式為 ，其中σr表示剩余殘余應(yīng)力；Sr表示剩余應(yīng)變； 表示產(chǎn)生εr的塑性應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力，該值可以根據(jù)所用材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線得到；σa表示外載所產(chǎn)生的應(yīng)力，可以根據(jù)外力，內(nèi)壓和構(gòu)件的幾何形狀計(jì)算出來；所述試樣為具有近似單向殘余應(yīng)力分布的直焊縫寬板，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為 或σa＝E(ε2-ε3)，其中b為板材的寬度，t為板材的厚度或者容器壁厚，F(xiàn)為拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的拉力，E為材料的彈性模量；所述試樣為壓力容器縱向直焊縫，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為
，其中p為容器內(nèi)壓，a為容器半徑，t為板材的厚度或者容器壁厚。
本發(fā)明的基本原理如下在對烷基鋁儲罐進(jìn)行受力分析和測試時，雖然載荷應(yīng)力遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料的屈服極限，但卸載后卻發(fā)現(xiàn)了屈服現(xiàn)象—應(yīng)變儀顯示的剩余應(yīng)變，這必然是由于殘余應(yīng)力與外部載荷疊加，引起局部材料屈服所導(dǎo)致的。在超載處理過程中，只要測出關(guān)注部位加載過程中發(fā)生的剩余應(yīng)變，經(jīng)分析就可得出超載處理前后的剩余殘余應(yīng)力，對大多數(shù)壓力容器來說打水壓試驗(yàn)是必經(jīng)工序，而且水壓試驗(yàn)壓力大于正常工作壓力。由于焊縫區(qū)往往有很高的殘余拉應(yīng)力，二者的疊加總會使焊縫金屬產(chǎn)生或多或少的屈服，釋放一些殘余應(yīng)力，并反映出剩余殘余應(yīng)力的大小。
實(shí)施例1具有近似單向殘余應(yīng)力分布的中心直焊縫寬板試樣，材質(zhì)為1Cr18Ni9不銹鋼，E＝196Gpa；作為中心帶直焊縫的寬板，垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)比平行于焊縫的縱向殘余應(yīng)力小，可以忽略不計(jì)，因此看作單向殘余應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)。加載時，要設(shè)計(jì)專用夾頭，處理好夾持部分的應(yīng)力集中問題，粘貼應(yīng)變片之前，要把焊縫表面待粘貼部位磨平，根據(jù)其簡單結(jié)構(gòu)，加載應(yīng)力可以用兩種計(jì)算方法得出或是由
得出，其中a表示板材的寬度，t表示板材的厚度，F(xiàn)表示拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的拉力，也可以根據(jù)彈性卸載假設(shè)，由公式σa＝E(ε2-ε3)求出，其中E為材料的彈性模量，后者不受夾持部分滑動和其它因素的干擾，適用于各種場合；具體操作過程如下1)在試樣對稱中心線部位的直焊縫上，打磨出一片平坦光滑區(qū)域，面積大小至少滿足粘貼一個應(yīng)變片的需要，沿平行于應(yīng)力的方向粘貼應(yīng)變片，測得初始應(yīng)變ε1＝-0.001524；2)把試樣通過特制夾頭夾持在拉伸試驗(yàn)機(jī)上加載，測得卸載前應(yīng)變ε2＝0.000527；3)卸載，從應(yīng)變儀測得卸載后應(yīng)變值ε3＝0.000026；4)把剩余應(yīng)變εr＝ε3-ε1＝0.00155＝0.15％作為塑性應(yīng)變，并根據(jù)材料1Cr18Ni9的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線獲得應(yīng)力σEr=σ0.15=180MPa;]]>5)計(jì)算加載應(yīng)力σa，根據(jù)構(gòu)件形狀、材質(zhì)、力學(xué)性能參數(shù)和所施加的外力，其加載應(yīng)力
，其中F＝57kN，a＝200mm，t＝2.84mm所以，σa＝100.4MPa；或者根據(jù)應(yīng)變儀的卸載應(yīng)變和材料的彈性模量，其加載應(yīng)力σa＝E(ε2-ε3)＝98.2MPa；6)根據(jù)公式
可得剩余殘余應(yīng)力σr＝79.6～81.8MPa；切割實(shí)驗(yàn)后的試樣，與釋放法測量剩余殘余應(yīng)力的結(jié)果85MPa相比，超載法測定結(jié)果的誤差是-6.4％～-4.1％。實(shí)施例2壓力容器縱向直焊縫，材質(zhì)為16MnR，σ0.2＝300Gpa；與縱向殘余應(yīng)力相比，壓力容器筒體直焊縫的橫向殘余應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)，故將其近似當(dāng)作單向殘余應(yīng)力對待，壓力容器在內(nèi)壓作用下，器壁應(yīng)力雖然屬于二向應(yīng)力狀態(tài)，但是，由于環(huán)向沒有殘余應(yīng)力，即使在打水壓時一般也不會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，這時，可以根據(jù)測定焊縫的縱向剩余應(yīng)變，直接用
式求解剩余殘余應(yīng)力，其中外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力σa可以根據(jù)壓力容器筒體的受力分析
，其中p為內(nèi)壓，a為筒體半徑，t為容器壁厚；具體操作過程如下1)在壓力容器筒體直焊縫上打磨出一光滑平臺，沿直焊縫縱向粘貼一個應(yīng)變片，測定初始應(yīng)變ε1＝-0.001720；2)加載，即給壓力容器打水壓，記錄卸壓前容器的壓力p＝1.75MPa；3)卸載，讀出應(yīng)變儀的卸載后應(yīng)變值ε3＝-0.000710；4)把剩余應(yīng)變εr＝ε3-ε1＝0.001＝0.1％作為塑性應(yīng)變，并根據(jù)材料16MnR的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線獲得應(yīng)力
5)計(jì)算加載應(yīng)力σa，根據(jù)壓力容器筒體的受力分析
，其中p＝1.75MPa，a＝0.5m，t＝0.008m，所以σa≈ 55MPa；6)根據(jù)公式
，求得剩余殘余應(yīng)力σr＝145MPa；本發(fā)明適用于材料拉伸曲線沒有屈服平臺且加載操作易于控制的的構(gòu)件；應(yīng)變片最好粘貼在最大殘余拉應(yīng)力區(qū)，否則會影響精度，甚至無法測定。
權(quán)利要求
1.一種剩余殘余應(yīng)力的測定方法，適用于單向應(yīng)力狀態(tài)，其特征在于具有如下操作步驟1)在試樣殘余拉應(yīng)力最大的區(qū)域，沿平行于殘余應(yīng)力的方向粘貼應(yīng)變片，并記錄初始應(yīng)變ε1；2)加載，其加載應(yīng)力的方向應(yīng)與殘余應(yīng)力的方向一致，記錄應(yīng)變儀的卸載前應(yīng)變值ε2；3)卸載，并讀出應(yīng)變儀的卸載后應(yīng)變值ε3；4)把剩余應(yīng)變εr＝ε3-ε1作為塑性應(yīng)變，并根據(jù)具體材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線獲得應(yīng)力
5)根據(jù)構(gòu)件形狀、材質(zhì)、力學(xué)性能參數(shù)和所施加的外力，或應(yīng)變儀的卸載應(yīng)變和材料的彈性模量計(jì)算加載應(yīng)力σa；6)根據(jù)公式
計(jì)算剩余殘余應(yīng)力σr。
2.按照權(quán)利要求1所述殘余應(yīng)力測定方法，其特征在于所述試樣為具有近似單向殘余應(yīng)力分布的直焊縫寬板，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為
或σa＝E(ε2-ε3)，其中b為板材的寬度，t為板材的厚度或者容器壁厚，F(xiàn)為拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的拉力，E為材料的彈性模量。
3.按照權(quán)利要求1所述殘余應(yīng)力測定方法，其特征在于所述試樣為壓力容器縱向直焊縫，加載應(yīng)力σa計(jì)算公式為
，其中p為容器內(nèi)壓，a為容器半徑，t為板材的厚度或者容器壁厚。
全文摘要
本發(fā)明公開一種根據(jù)剩余應(yīng)變測定剩余殘余應(yīng)力的方法,其步驟是:1)在最大殘余拉應(yīng)力區(qū),沿殘余應(yīng)力方向貼應(yīng)變片,記錄初始應(yīng)變ε
文檔編號G01L1/06GK1263258SQ9911268
公開日2000年8月16日 申請日期1999年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月9日
發(fā)明者王會民, 董瑞琪, 李依依 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所