钻孔崩落应力测量方法简介
一．孔壁崩落的力学机制
根据弹性理论，在单项水平应力σ作用下的一个无限大矩形平板中,其内部为一均匀应力场。这时的应力分布状态为:
式中，θ由σ方向逆时针量取，σ r 、σ θ 和τ rθ 分别为径向，切向和剪切应力。
当在矩形板中心钻了一个半径为α的圆孔后，势必扰动原来的应力场，寻致应力的重新分布。这时，在圆孔附近的应力分布由基尔希方程给出：
而当γ=α时，也就是说，孔壁上的应力分布为:
由方程(3)可以看出,当时,即在与σ垂直的孔径的两个端点上,切向应力σ θ 有最大值3σ，当θ＝0和π时，即在平行于σ的孔径的两个端点上，切向应力仅有极小值为-σ。
由上述可见，应力的集中，仅仅是在与σ正交的直径的孔壁上，切向应力取得最大值。而随着径向的延伸(即r逐渐增大)，在与σ垂直的方向(即)上，切向应力变化为：
显然，切向应力σ θ 随着径向的延伸而迅速减小。当半径(r)等于几个钻孔半径时，切向应力就近似地等于施加应力(σ)。如当r＝1.3α时，σ θ ＝1.82lσ，而当r＝4α时，σ θ 就仅为1.0372σ。
地壳中的岩石，一般都是处在各向不等载荷的压应力作用下。对于一个沿直铅孔来说，它的横载面往往都是处于两项水平主应力σ 1 和σ 2 (σ 1 >σ 2 )的压缩之下。根据叠加原理，这时孔壁上(即r＝α处)的应力分布状态为：
由上式可见，当时，即在与最小水平主应力平行的钻孔直径的两个端点(M和N)，切向应力σ θ 达到最大值(σ θ ＝3σ 1 -σ 2 )；而当θ＝0和π时，即在与最大水平主应力平行的直径的两个端点(P和Q)，切向应力σ θ 达到最小值(σ θ ＝3σ 2 -σ 1 图2)。根据脆性破裂理论，当作用在M和N点处的切向应力，达到或超过该点处的破裂强度时，就会使孔壁岩石崩落，形成崩落椭圆孔段，其长轴方向与最小水平主应力方向平行。
二．钻孔崩落椭圆的形成条件
在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因而在地壳应力场的作用下，能够发生弹性变形，并可以在孔壁附近引起应力集中。
钻孔崩落椭圆的形成，必须满足一定的地应力场条件，即最大水平主应力与最小水平主应力不相等。如果钻孔处于各项均匀的地应力场中(即σ 1 =σ 2 )，这时沿钻孔圆周的切向应力σ θ ≈2σ 1 ，假定岩石也是各项均匀的话，则不会产生优势方向的孔壁崩落现象。
大量的地壳应力测量资料表明，在地壳中各项应力都存在着明显差异，而且两项水平主应力值及其差值(σ 1 -σ 2 )，大都是随深度呈线性增加的。因此，一般来说，形成钻孔孔壁崩落的地应力场条件是普遍存在的。
三、钻孔崩落椭圆的测量方法
1．测量方法
钻孔孔径的大小和方向是由四臂地层倾角井径测井仪直接测量的。我国的许多油田，大都是使用斯仑贝谢测井公司的测量装置。
这种测量装置的四臂相交成90°，且I一III和II—IV测臂彼此正交。其四臂均由液压驱动，使之与孔壁紧密接触。当测井电缆由孔底以一定速率向上提升时，则井下装置总是以一定速率旋转。当井下测量装置上升到崩落椭圆孔段时，其中一对测臂旋转到椭圆孔段的相对长轴方向，且自动伸开，与之正交的另一对测臂则处于接近钻孔直径的相对短轴方向。这时，由于一对测臂嵌入到钻孔崩落的长轴孔径中，因而不再转动，随着测井电缆的不断提升，而连续地测量孔径的变化。
2．崩落椭圆长轴方位角的计算
四臂地层倾角井径测井仪除直接测量两条相互正交的井径曲线(即C l-3 和C 2-4 井径外)，由于该仪器装有一套相应的磁定向装置，还同时记录有C 1 极板的相对方位角，井斜方位角以及井斜角。它们之间的几何关系如图4所示。
{Ⅰ,Ⅱ,Ο,Α}为仪器坐标系，(Ο，E，N，V)为大地坐标系，仪器平面和水平面相交于直线FF'，平面M 过直线OA和OV，并和仪器平面，水平面分别相交于直线DD'、BB'。显然，直线FF'⊥M，而且＜BOD 就等于井斜角，同时，OB和OB'分别为OD和OD'在水平面上的垂直投影，OB和磁北极N的夹角就是井斜方位角，在仪器平面上OI和OD的夹角为相对方位角，α为其在水面上的垂直投影角；OI'为OI在水平面上的垂直投影，它和磁北极N的夹角就是C l 极板的方位角。由上述得到：
PIAZ＝AZIM+α．(6)
由于在四臂地层倾角测井曲线图上，并不记录α角，因此由图4，设为单位矢量，在仪器坐标系中它的坐标为＝(0，1，0)，设在坐标系(O，F，B，V)中的坐标为＝(I F ，I B ，I V )，则由图4可知：
式中；PIAZ为C l 极板的方位角；AZIM为井斜方位角；DEVI为并斜角；RB为C l 极板相对方角位。
实际上，由于井斜角一般都很小(大多小于5°)：即cosDEVI值近似等于1，故(7)式可简化为：
PIAZ≈AZIM十RB (8)
如果C l-3 井径曲线是长轴井径，则崩落椭圆长轴方位角(o)就等于PIAZ。即：
α＝PIAZ．(9)
当C 2-4 井径曲线为长轴井径时，其长轴方位角(α)则为：
α＝AZIM十RB十90°．(10)
在有些测井记录中，有时直接记录C 1 极板方位角(PIAZ)，这时，我们可以直接从图上读取其长轴方位角。
3．钻孔崩落椭圆的特征与识别
根据形成钻孔崩落椭圆力学机制的分析，我们把崩落椭圆的特征归纳如下：
1)钻孔横截面具有明显的长轴方向。在四臂地层倾角井径测井记录图上，一条井径曲线比较平直，接近或等于钻头直径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多。
2)椭圆孔段在深度上具有一定的长度。在同一个钻孔的不同深度上，这种崩落孔段有时较短，为几米或几十米，有时相当长，达几十米，甚至上百米，但其长轴方向基本不变，而且井径仪在崩落段的顶，底面均在旋转运动。
3)在钻孔横截面的两个正交方向上均有扩径现象，但一条井径曲线扩径幅度不大；而另外一条则大得多，仍保持有相当明显的长轴方向，而者扩径幅度截然不同。四条电导率曲线均较稳定或同步变化。
对于由断层破碎带，高角度自然裂隙等所形成的椭圆孔段，由于在双井径曲线上它们形态相似，难于辨别真伪，需要借助于用来确定地层倾角的四条电导率曲线的分析，将该孔段划分出来，予以剔除。
对于由断层破碎带，高角度自然裂隙等所形成的椭圆孔段，由于在双井径曲线上它们形态相似，难于辨别真伪，需要借助于用来确定地层倾角的四条电导率曲线的分析，将该孔段划分出来，予以剔除。
空芯包体应力测量方法简介
空芯包体应力测量方法，采用钻孔套芯应力解除法进行，使用KX一81型空芯包体式三轴应力计，它可在单孔中求得该点的三维应力状态，在实验室中测定的主应力误差为3％，方向误差为2°- 4°。
一、钻孔套芯应力解除
套芯应力解除法的过程是：在需要测量应力的地方，打一个Φ130mm的钻孔，至一定深度时，将孔底磨平，再打一个喇叭孔(起导正作用)，在大孔中心钻一个Φ36mm的测量小孔，测量孔的深度约为36mm，然后在测孔中安装测量探头，探头引线与孔外测量仪器相接，测得初始值。如果是进行相对值测量，设备安装工作就此结束，此后间隔一段时间再测探头的数值，就可测出应力随时间的变化情况。
绝对应力测量是在测量小孔外，再用Φ130mm口径的钻头同心钻进，开挖应力解除槽，在钻进过程中，导线从钻杆中心穿过，由水节头处引出与测量仪器相连，监视解除过程中的变化，随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐与外界应力场相隔离，岩芯发生弹性恢复，仪器测值随着发生变化，直至仪器读数不再变化时，停止钻进，取出岩芯。应力解除槽钻出前后仪器的读数差值即为解除读数值。
通常每钻进3cm深，仪器读数一次，求得仪器读数随解除深度的变化曲线，称为应力解除曲线。此曲线的变化规律是判断原始资料可靠程度的重要依据之一。
取出带有测量探头的完整岩芯后，通常在现场进行围压率定试验。它是将岩芯放进围压率定机中，然后在岩芯上施加围压，随着压力的变化，仪器读数也跟着变化，从而作出压力与仪器读数的关系曲线，称为率定曲线。此曲线可判断孔中各探头是否处于正常工作状态，有利于我们综合判定原始资料的可靠性。从率定结果可以求出岩石的弹性模量和泊松比。
为了取得更接近实际的真值，通常在单孔中进行多次测量，然后进行统计处理分析，尽量减少测量误差和人为误差。
根据现场取得的原始资料，在室内进行资料整理，利用最小二乘法进行数据处理，求出应力状态。此过程的计算很繁杂，目前，我们已编制成电子计算机程序，处理就方便多了。若是平面应力计算，可求出最大主应力大小及方向和最小主应力的大小；若是空间应力测量，可求出最大、中间、最小主应力的大小、方
向和倾角。
二、KX一81型空芯包体式三轴应力计的结构
应力计是由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成的。将三枚应变花(每枚应变花有四个应变片)沿环氧树脂筒圆周相隔120°粘贴(图9)。然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内，外层厚度约为0.5mm，在应力计的顶部有一个补偿应变片。
环氧树脂圆筒有一个内腔，用来装粘结剂，另有一个环氧树脂柱塞，如图10所示。使用时，将圆筒内腔7装满粘结剂，然后将柱塞10插入内腔约3cm深处，用固定销8将其固定。柱塞的另一端有一导向定位头13，以便应力计顺利安装在小孔中所需要的位置上。将应力计送入钻孔中预定位置后，用力推动安装杆1，可使固定销切断，继续推进可使粘接剂经柱塞小孔11流出，进入应力计和小孔孔壁之间的间隙里，经过一定的时间，粘接剂固化后，即可进行套芯解除。
图9应变花位置分布图（图中A、B、C为三组应变花）
应力计的外径为35.5mm，工作长度为150mm，可安装在直径为36—38mm的小钻孔中。
应力计具有良好的绝缘防水性能。
使用EX数字式电阻应变仪进行读数，最小读数为一个微应变。量程为±2000微应变。
图10 KX-81型空心包体三轴地应力计结构示意图
1-安装杆；2-定向器导线；3-定向器；4-读数电缆；5-定向销；6-密封圈；7-环氧树脂筒；8-空腔，内装粘胶剂；
9-固定销；10-应力计与孔壁之间的空隙；11-柱塞；12-岩石钻孔；13-出胶孔；14-密封圈；15-导向头；16-应变花
压磁应力测量方法简介
地应力测量系统包括YG-73型和YG-81型压磁应力计，DLD-数字应力仪，CW-250传感器，围压率定机以及定向装置。实验证明该测量系统是可靠的。在实验室条件下，最大主应力相对测量误差一般小于5％，方向误差小于3％(用标准棱柱检验其误差小于3％)。完全满足地应力测量工作的需要。测量精度一般超过其它类似的方法。
一、地应力测量过程
在需要测量地应力的那一点上，钻一个直径约36mm的小孔，把应力计安装在小孔中的适当位置，定向，同时给应力计施加预应力，并把仪器的读数记录下来。然后套心，即钻一个与小孔同轴的大孔(直径约150mm或130mm)，称为释放槽(图3.1.1)。释放槽开完后，由于岩心发生弹性恢复，小孔的直径发生变化。于是应力计上的负荷跟着发生变化。因而仪器读数也跟着变化。应力释放槽开出前后仪器的读数之差即为“记录应力值”。
在解除过程中，随时进行仪器读数，比如每进尺2-3cm读数一次。当仪器读数不随解除钻进变化时，停止解除，并取出岩心。将带有元件的岩心，放入围压率定机中进行元件的率定以得到率定曲线。
利用三分量应力计可在三个直径方向上得到三个读数。根据这三个读数，能够计算出垂直于钻孔平面内的主应力的大小及方向。
如果需要进行三维应力测量，则需要在互相正交的三个钻孔中至少得到6个读数，才能计算三个主应力。
为了使结果更加可靠，一般要进行多次测量，用最小二乘法进行处理。
二、应力计的总体结构及使用方法
1、YG-73型压磁地应力计的总体结构
YG-73型压磁地应力计的总体结构如图3.2.10所示，外观见图版I-1，它由预加应力系统和三个互成60度角的传感器组成。预加应力系统主要由接头、反螺纹连接筒、加力杆、加力螺母、空心螺丝、弹簧销、套筒、拉架、拉架接头、定向扁铲等组成。
2、YG-81型压磁地应力计的总体结构
YG-81型压磁地应力计的结构如图3.2.11所示，外观见图版I-2，图中序号1-14为预加应力系统；序号15-31为传动连接器；序号32-34为互成60度角的三个压磁传感器。
YG-81型压磁地应力计的结构与YG-73型的区别在于预加应力系统不同。前者预加应力系统操作较方便，但构造复杂。后者构造简单，但操作不如前者方便。
3、两种压磁地应力计的使用
两种压磁地应力计现场使用的工序都可分为以下几步：
①钻孔
用131mm直径钻头钻进至预定深度，再用锥形钻头钻一个喇叭口，长度为30-50mm。然后用36mm 钻头钻测量小孔，并将孔内泥沙冲洗干净。
②下定向座
将定向座连接到钻杆上，扁铲与定向底座间用销钉铆接。当把定向座送至孔底时，利用钻机加压，以切断销钉，于是底座与测孔孔壁卡牢。并用定向仪测定底座缺口的方位。
③应力计的下井安装
将压磁应力计的每个传感器调整到最小尺寸，接到钻杆上，同时测量下井前各压磁传感器的读数。然后向孔内推送，使应力计的扁铲进入底座的定向缺口。
④预加应力
应力计的扁铲进入底座的定向缺口之后，旋转钻杆可以使应力计预加应力。在预加应力的过程中，监视传感器读数的变化，当达到预定读数后，停止预加应力。
⑤穿线、冲水、套心
压磁地应力计预加力完成之后，其导线需从钻杆中穿过，并对应力计进行冲水，待读数稳定后即可进行套心。在套心过程中对仪器读数进行记录。
⑥率定
套心后，将带有元件的岩心放入元件率定机中进行率定，划出率定曲线。
表面残余应力测试方法 由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面 一、试样的表面处理 X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。 （1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。 （2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。 （3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。 （5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。 （6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。 二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。 被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ范围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。 在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。 若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分陶瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。
为什么会有残余应力 金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？ 金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力. 原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。 金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。通常用热处理、时效处理来消除残余应力。因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。所以会产生残余应力。组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。所以就回有残余应力。 我们真正关心的是零件加工后的质量。由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。第三变形区内后刀面与已加工表面的挤压与摩擦又使表面金属产生残余压应力(里层金属产生残余拉应力)。如果第一变形区内应力造成的残余应
第1 页 共 2页 残余应力检测方法概述 目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多，为便于分类，人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为：应力松弛法（样品将被破坏）和无损检测法（样品不被破坏）两类。以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。 一、常见的残余应力检测方法： 1. 应力松弛法 (1) 盲孔法 该方法最早由Mather 于1934年提出，其基本原理就是通过孔附近的应变变化，用弹性力学来分析小孔位置的应力，孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。由于这类设备操作起来非常简单，近年来被广泛使用。 (2) 切条法 Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条，然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。 (3) 剥层法 该方法是通过物理或化学的方法去除试件的 一层并测量其去除后的曲率，根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。该方法常用于形状简单的试件，且测试过程快捷。 2. 无损检测方法 (1) X 射线衍射法 X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变，进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力，目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提出的sin2ψ方法。日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪，为该方法的推广做出了巨大的贡献。 (2) 中子衍射法。 中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的，都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变，并根据弹性力学方程计算残余应力。但中子散射能量更高，可以穿透的深度更大，当然中子衍射的成本也是最昂贵的。 (3) 超声波法。 该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象，通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度，尽管超声波方法也属无损检测方法，但其仍需进一步完善。 二、最新的残余应力检测方法 cos α方法早在1978年就由S.Taira 等人提出， 但真正应用于残余应力测试设备中还是近几年的事情。日本Pulstec 公司于2012年研制出了世界上首款基于cos α方法的X 射线残余应力分析仪，图1是设备图片（型号：μ-x360n ）。
第15届全国残余应力学术交流会论文 盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介 王晓洪赵怀普 （郑州机械研究所河南郑州450052） 引言 机械零部件和构件在制造加工的过程中由 于不同的制造工艺，例如铸造、切削、焊接、热 处理等，都会在材料中产生残余应力。残余应力 的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造 时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在 制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变 化或者使其疲劳强度等力学性能降低,从而影响 到它们的使用安全性。因而，了解残余应力的状 态对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重 要的意义。 目前，比较成熟且普遍应用的残余应力测试方法分为两大类：无损检测法和机械检测法。无损法在检测过程中不对工件产生创伤，机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏，例如切割法（又称剖分法）和环芯法对工件的破坏较大，而盲孔法对工件的破坏较小，因而盲孔法又称半无损法。本文主要针对盲孔法的原理和几种打孔方式给于介绍。 一、盲孔法测残余应力的基本原理 盲孔法最早由由德国人J.Mathar于1934年首先提出，以后经长期不断地改进和完善，目前已成为应用最广泛的残余应力测量方法之一。美国材料试验协会ASTM已于1981年制订了测量标准（2）。 盲孔法测量残余应力的原理如图1所示，假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2，在该区域表面上粘贴一专用应变花，在应变花中心打一小孔，引起孔边应力释放，从而在应变花丝删区域内产生释放应变，根据应变花测量的释放应变就可以计算出残余应力： 图1 盲孔法残余应力测量原理图 () () () () ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? - - - = - - + - + + = - - + - - + = 1 3 3 1 2 2 3 1 2 2 3 1 3 1 2 2 3 1 2 2 3 1 3 1 1 2 2 2 ) ( 4 4 2 ) ( 4 4 ε ε ε ε ε θ ε ε ε ε ε ε ε σ ε ε ε ε ε ε ε σ tg B E A E B E A E (1) 式（1）中： ε1、ε2、ε3—三个方向释放应变； σ1、σ2 —最大、最小主应力； θ—σ1与1号片参考轴的夹角； E —材料弹性模量； A、B —两个释放系数。 其中A、B系数与钻孔的孔径、应变花尺寸、孔深有关（1）。 盲孔法测残余应力的误差主要有以下几个因素： 1、应变片的粘贴质量。应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。 σ 1 1 2
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESS X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 什么是残余应力？ 外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的
E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。 X射线衍射法测量残余应力的基本原理 Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。 其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。 Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即： 式中θ0为无应力试样衍射峰的布拉格角，θψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。 于是将上式代入并求偏导，可得：
残余应力数值模拟中的难题 经常在各种科技期刊和残余应力学术会议上，看到国内残余应力研究者发表的论文，其中，残余应力数值模拟结果和测量结果高度一致。笔者作为国内力学测量领域内有着30多年应力测试经验的专业人士，对此有不同的看法，因此特指出残余应力数值模拟中的难题。 残余应力之所以产生，从力学角度讲，是由于材料加载（包括外力和温度等因素）产生了塑性变形，卸载后，由于材料进入塑性区而恢复不了原始状态，必然留下残余的变形，这部分变形就产生了残余应力。所以机械零部件和构件在制造时，各种加工工艺，比如，焊接、锻压、铸造和各种热处理工艺等，都会使材料进入塑性变形区，从而产生残余应力。在实际生产中，上述加工工艺都会产生足以引起材料相变的高温。因此，残余应力数值模拟在计算力学上是一个典型的热力耦合问题，即热力学和力学的相互迭代非线性有限元计算。这就引出了几个不容易模拟的难题。 1、热力学边界条件的热交换问题 在各种加工工艺中，比如，焊接、锻压、铸造，特别是各种热处理工艺，如何保证数值模拟时材料与周围介质热交换更逼近实际是不容易做到的，只能近似。最典型的是材料淬火的快速冷却，更不容易做到。 2、力学计算涉及的本构关系问题 要计算残余应力就必须知道材料的本构关系，即应力应变关系。
然而，材料的弹性应力应变关系容易确定，但材料在上千度高温时，要精确确定它的热塑性应力应变关系就非常困难，且这种应力应变关系是随温度变化的，要确定不同温度下的热塑性应力应变关系就更难。 3、材料金属学的相变问题 残余应力数值模拟中，热力耦合迭代，材料要经过相变区，材料中每一温度每一部分要引进多少相变变形，是个难题。 4、热力耦合非线性计算数学迭代问题 这是高难度的有限元计算数学问题，国外这个问题研究成果显著，已有静力、动力、流体、热力学综合分析软件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等，通用材料热处理、成型软件DEFORM-HT，板料成型、钣金成型、冲压成型软件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等，铸造模拟软件Procast、Magmasoft等，热处理、焊接和焊接装配软件SYSWELD等。而国内在这方面几乎没有什么高水平的软件。 上述前3个难题决定了任何一个软件对残余应力的数值模拟只能是定性的而不能定量，因为差之毫厘，失之千里，热力学边界条件、材料本构关系和相变变形与实际情况的不符不可能模拟出精确的残余应力值。但可以以残余应力测量值为参考，修正这3个难题中的计算参数，直到模拟的残余应力数值接近测量值，以后就利用这些参数来进行某个方面特定的残余应力数值模拟，而不是通用残余应力数值
《金属材料残余应力测定钻孔应变法》 国家标准编制说明 1、工作简况 1.1 任务来源 根据全国钢标准化技术委员会《钢标委 [2011]29号文件》“关于转发国家标准化管理委员会2011年第二批国家标准制修订项目计划的通知”所下达的国家标准修订计划，《金属材料残余应力测定钻孔应变法》标准列入国家标准修订计划，计划编号为20111035-T-605。该标准由武汉钢铁（集团）公司、中国科学院金属研究所和上海出入境检验检疫局、武汉理工大学、武昌造船厂等单位共同负责起草。 2.2 起草过程 残余应力的存在往往对构件（特别是焊接产品）的使用带来重大影响，如加速疲劳断裂，促进应力腐蚀开裂等，了解残余应力大小和分布的主要方法就是应力的测定。可以把现有的残余应力测量方法分成三大类： 无损的物性法这一类方法利用材料在应力作用下物理性能发生变化的特点来测定残余应力。例如X 射线衍射法和中子衍射法利用材料的晶格常数在应力作用下发生变化形成不同的衍射峰来测定残余应力；磁性法利用材料在应力诱导下产生磁致伸缩效应或Baukhausen噪声来测定残余应力。这类方法的特点是非破坏性和对材料组织结构的过分依赖。 破坏或半破坏性的应力释放法利用切割或钻（套）孔使构件中的残余应力得到全部或部分释放，根据释放应变和释放方法求出相应的残余应力大小。此类方法多数利用电阻应变片作为测量敏感元件，测定精度较高。例如全释放应变法将构件彻底切割破坏，使应力得以全部释放，对于应力梯度不大的情况，可以获得十分精确的结果；盲孔法属于半破坏性方法，它要在构件表面钻一盲孔（一般Φ1.5?2.0mm），在工程上应用较广。这类方法的特点是破坏性和不受材料组织结构控制，对大应力梯度场的测量有误差。 无损的（压痕）应力叠加法此类方法和应力释放法相反，采用特定压头压入材料表面，通过压痕获得附加应力场，再根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力，包括硬度法、纳米压痕法和压痕应变法。但硬度法和纳米压痕法目前只能定性测量，而压痕应变法是其中最具现场应用价值的方法，该方法的特点是非破坏性、方便性和准确性。 小孔法是德国人Mather于1934年最早提出的，此后，特别是五十年代以后，许多国家的研究者对此进行了大量的研究。到目前为止，小孔法已在美国、欧洲等许多国家采用，在我国也有许多生产和研究单位采用。美国ASTM于1981年正式颁布了E837-81标准《小孔法测量残余应力标准试
X射线残余应力测定 一、材料中内应力的分类 1、引言 当产生应力的因素不存在时(如外力去除、温度已均匀、相变结束等)，由于材料内部不均匀塑性变形(包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化)，致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称为残余应力，或内应力。 一方面，残余应力可能对材料疲劳强度及尺寸稳定性等均成不利的影响。 另一方面，为了改善材料的表层性能(如提高疲劳强度)，有时要在材料表面还要引入压应力(如表面喷丸)。 当多晶材料中存在内应力时，必然还存在内应变与之对应，导致其内部结构(原子间相对位置)发生变化。 从而在X射线衍射谱线上有所反映，通过分析这些衍射信息，就可以实现内应力的测量。 2、内应力的分类 材料中内应力可分为三大类。 第I类应力，应力的平衡范围为宏观尺寸，一般是引起X射线谱线位移。 第II类内应力，应力的平衡范围为晶粒尺寸，一般是造成衍射谱线展宽。 在通常情况下，这三类应力共存与材料的内部。 因此其X射线衍射谱线会同时发生位移、宽化及强度降低的效应 A、第I类内应力 材料中第I类内应力属于宏观应力，其作用与平衡范围为宏观尺寸，此范围包含了无数个小晶粒.在X射线辐照区域内，各小晶粒所承受内应力差别不大，但不同取向晶粒中同族晶面间距则存在一定差异。 当材料中存在单向拉应力时，平行于应力方向的(hkl)晶面间距收缩减小(衍射角增大)，同时垂直于应力方向的同族晶面间距拉伸增大(衍射角减小)，其它方向的同族晶面间距及衍射角则处于中间。 当材料中存在压应力时，其晶面间距及衍射角的变化与拉应力相反。 材料中宏观应力越大，不同方位同族晶面间距或衍射角之差异就越明显，这是测量宏观应力的理论基础。 上述规律适用于单向应力、平面应力以及三维应力的情况。 B、第II类内应力 第II内应力是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶粒尺寸数量级。 在X射线的辐照区域内，有的晶粒受拉应力，有的则受压应力。不同取向晶粒中同族晶面间距差异不大。 各晶粒的同族(hkl)晶面具有一系列不同的晶面间距 dhkl±Δd值。 因此，在材料X射线衍射信息中，不同晶粒对应的同族晶面衍射谱线位置将彼此有所偏移。 各晶粒衍射线将合成一个在 2θhkl±Δ2θ范围内的宽化衍射谱线。 材料中第II类内应力(应变)越大，则X射线衍射谱线的宽度越大，据此来测量这类应力(应变)的大小。 必须指出的是，多相材料中的相间应力，从应力的作用与平衡范围上讲，应属于第II类应力的范畴。
关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念 通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。 按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。 （2）应力作用 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 （3）应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变 （4）应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力
第二章残余应力测定方法 残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。 物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。它们是无损的测量方法。其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。 机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。 从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。 一、分离法测量残余应力 切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。 （一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。切割后，再测应变计得到的释放应变。它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。 释放后的残余应力计算方法如下： 1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1） 2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。分割构件后测出ε1和ε2，计算残余主应力为： 3、如图被测点残余主应力方向未知，则需贴三向应变花（如图3.3所示）。连接应变仪调平后，沿虚线切割开，观察应变仪，直到切割处温度下降到常温时，测出再按（3）公式计算出主应力及其方向来。 （二）、套环法：在一些大型构件上，切割法有时难于进行，这时可采用套环法进行分离。其原理及贴片
铸件残余应力测量方法 铸件残余应力的测定方法可以分为机械测定法和物理测定法。机械法测残余应力是采用机械机械加工的手段，对被测铸件进行部分加工或完全剥离，使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放，使用电阻应变测量技术测出残余应力的方法，机械法最常见的是盲孔法。其优点是测量精度以及准确性高，缺点是会对构件造成一定程度损伤。物理测量法又叫非破坏无损伤测量方法，它无需对材料进行分割，可直接求得残余应力。物理法最常见的是磁测法，对构件无损伤，但测量成本比较高。目前较常用且适合铸件残余应力的分析测试技术主要就是盲孔法和磁测法。 盲孔法残余应力测量是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。盲孔法是工程中最通用的的残余应力测定方法，准确性最高，技术较为成熟，并且具有相关国家标准。 磁测法残余应力测量主要是通过测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生变化确定残余应力的大小和方向。铁磁材料其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过特定残余应力计算软件，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。磁性法检测工件须具有铁磁性，否则此方法无效。 铸件残余应力的检测，针对不同铸件和不同的测试目的选择最佳的测定方案，主要考虑以下几个方面：允许结构受损伤的程度；测试的应力种类；铸件性能变化的影响；现场测试的适应性；费用和时间。
残余应力的测量方法 由于工件经过振动时效处理以后其残余应力降低，所以测定工件振动时效前后残余应力的变化量也是判断振动时效效果的方法之一。 1. 盲孔法： 它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。测量仪器；应变仪.盲孔钻. 应变花。 2.X射线法： X射线应力测定方法是利用X射线衍射测定试样中晶格应变求出工件表面应力的方法。但是由于χ光应力测定仪的测量精度较差.比较适合用于测定具有较大残余应力的工件，如普通纲件.焊接件 .淬火件等。З.磁性法： 磁性法测量残余应力是利用铁磁材料的压磁效应即在应力作用下.铁磁材料的各方向上的导磁率发生不同的变化，从而产生磁各向异性.通过对导磁率变化的测定来确定残余应力的方法。此法目前尚处于试验或试用阶段，我所正在进行探讨采用此方法的可能性。有关的数据处理方法在科学试验中，有着大量的测试数据，但是有时这些数据并不能使我们一目了然，而通过对这些数据进行科学的整理和分析，就可以帮助我们总结出许多现象和问提。目前，这一问提已经引起越来越多的科技工作者的注意和重视，我们试验中每批试件尺寸精度保持性的数据都是几百个，甚至上千多个，因此初步尝试用一些简单的数理统计方法分析.整理了大批试验数据，取得了一定的成效。 4.测量误差分析： 对大量的数据运用数理统计方法进行分析 .整理时，经常要用到算术平均值（X ）及离差（s ） 其表达式为：
焊接残余应力的测试 一、实验目的 1.了解ASM1.0全自动应力、应变监测记录仪的结构和工作原理。 2.掌握应力释放法的测试原理及操作技术。 二、实验原理 焊接残余应力的测量方法，按其原理可分为应力释放法、物性变化法（X 射线法、磁性法）等，应力释放法又可分为小孔法（即盲孔法）、套孔法与梳状切条法（及全释法）。本实验采用小孔法进行测量。 对板钻小孔可以评价释放的径向应变。在应力场中去一直径为d 的圆环，并在圆环上粘贴应变片，在圆环的中心处钻一直接为d 0的小孔（图1），由于钻孔使应力的平衡受到破坏，测出孔周围的应力变化，就可以用弹性力学的理论来推算出小孔处的应力。设应变片中心与圆环中的连线与x 轴的夹角为α，其释放的径向应变r ε和钻孔释放的残余应力之间的关系，可按照带孔无线板的弹性理论，同时承受双轴薄膜应力x σ和y σ（理解为主应力）的条件求解。 ()()y x r B A B A σασαεcos cos +++= 2 021? ? ? ??+-=d d E A μ ??? ??? ????? ??-??? ??++-=4 02031421d d d d E B μμ 图1 小孔法所用的应变花示意图 为了完全确定未知的双轴残余应力状态（两个主应力σ1和σ2，以及主应力方向β），必须至少在圆环上的三个不同测量方向评价释放的径向应变r ε（如采用三个应变片组成的应变花）。常用的应变花布置是?=0α、?=45α和?=90α（对应00ε、45ε和90ε）。 ()()20090452009000 902,1--2-B 41 A 4εεεεεεε σ+±+=
三、实验设备及器材 1. ASM1.0全自动应力、应变检测仪一台 2. 残余应力打孔装置一台 3. 焊接铝板一块 4. 应变片、瞬干胶水若干 四、实验方法与步骤 1.将待测部位用砂纸磨至表面光亮，用酒精进行清洗，清除待测部位表面的杂志和氧化物，直到准备粘贴应变片的部位干净为止。 2.将502速干胶均匀涂于应变片背面，迅速把应变片粘在所测位置，轻压使其与工件表面紧密结合，应变片与金属之间无气泡无脱胶现象。 3.将应变片末端引线与应变仪连接的导线焊接。注意应使所有应变片的导线长度保持一致，以免产生电阻值的差异导致测量不准。将应变仪调零，用万用表检查应变片与工件绝缘程度和阻值变化情况。 4.设置残余应力相应参数，用直径为2.0mm的砖头在应变片中心处打出深2.0mm的盲孔，记录残余应力数据。 五、实验数据记录 六、实验结果整理及分析 1. 焊接残余应力测试过程中哪些因素容易引起测量误差？如何减小误差？ 1、应变片的粘贴质量。应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 什么是残余应力？ 外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的 E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。
X射线衍射法测量残余应力的基本原理 Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为 原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。 其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。 Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即：
第1 页共 2页 残余应力检测方法概述 目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多,为便于分类,人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为:应力松弛法(样品将被破坏和无损检测法(样品不被破坏两类。以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。 一、常见的残余应力检测方法: 1. 应力松弛法 (1 盲孔法 该方法最早由Mather 于1934年提出,其基本原理就是通过孔附近的应变变化,用弹性力学来分析小孔位置的应力,孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。由于这类设备操作起来非常简单,近年来被广泛使用。 (2 切条法 Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条,然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。 (3 剥层法 该方法是通过物理或化学的方法去除试件的 一层并测量其去除后的曲率,根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。该方法常用于形状简单的试件,且测试过程快捷。 2. 无损检测方法 (1 X 射线衍射法 X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变,进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力,目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提
出的sin2ψ方法。日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪,为该方法的推广做出了巨大的贡献。 (2 中子衍射法。 中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的,都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变,并根据弹性力学方程计算残余应力。但中子散射能量更高,可以穿透的深度更大,当然中子衍射的成本也是最昂贵的。 (3 超声波法。 该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象,通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度,尽管超声波方法也属无损检测方法,但其仍需进一步完善。二、最新的残余应力检测方法 cos α方法早在1978年就由S.Taira 等人提出, 但真正应用于残余应力测试设备中还是近几年的事情。日本Pulstec 公司于2012年研制出了世界上首款基于cos α方法的X 射线残余应力分析仪,图1是设备图片(型号:μ-x360n 。 第2 页共 2页
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 X 射线衍射方法测量残余应力的原理与方法射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESSXRD 2009-01-10 21:07:39 阅读 616 评论 2 字号：大中小X 射线衍射方法测量残余应力的原理与方法什么是残余应力？外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。 但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。 两种应力在 X 射线衍射谱中的表现是不相同的。 微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。 这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。 通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。 宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。 一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。 宏观残余应力（以下称残余应力） X 射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。 在当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。 通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 1/ 12
X 射线衍射法测量残余应力的发展 X 射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。 20 世纪初，人们就已经开始利用 X 射线来测定晶体的应力。 后来日本成功设计出的 X 射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。 1961 年德国的
目录 1 残余应力 (1) 1.1 残余应力的定义及分类 (1) 1.2残余应力的本质 (1) 1.3残余应力的影响 (1) 2 残余应力的消除方法 (3) 3 残余应力的测定与评估 (4) 3.1无损检测法 (5) 3.1.1 钻孔法 (5) 3.1.2 环芯法 (6) 3.1.3 剥层法 (6) 3.2无损检测法 (6) 3.2.1 X射线衍射法 (6) 3.2.2 中子衍射法 (7) 3.2.3 超声波法 (8) 3.2.4 磁测法 (9)
1 残余应力 1.1 残余应力的定义及分类 构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。 1.2残余应力的本质 一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。如金属合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力, 机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态, 所以零件产生变形。当零件刚性较大, 形状对称时, 变形较小。反之,则变形十分明显。在工件内部实际应力的情况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。 1.3残余应力的影响 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆”，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，黄铜在带有氨气气氛中的“氨脆”等等属于应力腐蚀开裂，所有这些应力腐蚀主要是由于
Q:什么是残余应力？残余应力是什么意思？ 残余应力是衡量零件质量的重要指标之一，也是学习的一个难点。 用能量作功的方法可以加深对残余应力的认识：外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓慢地变形，即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧失，直到能量全部施放出来为止，变形结束。尤其在仪器生产中，残余应力可能使整台仪器丧失精度而成为废品。应当了解残余应力的“缓释”特点，熟悉残余应力产生原因，掌握减小和消除残余应力的技术手段。 残余应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变。 残余应力的作用 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。 (shenmi https://www.doczj.com/doc/007215175.html, 收集) 适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 残余应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： 1.加热，即回火处理,利用残余应力的热松弛效应消除或降低残余应力。 2.施加静载，使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，也可以调整工件的残余应力。例如大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，即所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。 3.振动时效，英文叫做Vi bra tion Stress Relief,简称VS R 。在国际上，工业发达国家起始于上世纪50年代，我国从70年代研究和推广。振动消除应力主要特点：（1）、处理时间短； （2）、适用范围广； （3）、能源消耗少； （4）、设备投资小，操作简便。 4.锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。 残余应力的测量方法 残余应力的测量方法可以分为有损和无损两大类。 有损测试方法就是应力释放法，也可以称为机械的方法；无损方法就是物理的方法。 机械方法目前用得最多的是钻孔法（盲孔法），其次还有针对一定对象的环芯法。 物理方法中用得最多的是X射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁性法和超声法。(shenmi https://www.doczj.com/doc/007215175.html, 收集) X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏观上可以准确测定