残余应力测定的基本知识_第三讲磁_省略_残余应力的基本原理和各种方法比较_冉启芳

理化检验-物理分册PTCA　(PART:APHYS.TEST.)2007年　第43卷　6

专题讲座

残余应力测定的基本知识———第三讲　磁性法和超声法测残余应力的基本原理和各种方法比较冉启芳1,吕克茂2(1.河南省无损检测分会,郑州450052;　2.邯郸爱斯特应力技术研究所,邯郸056000)

中图分类号:O348 文献标识码:A 文章编号:1001-4012(2007)06-0317-04

BASICKNOWLEDGEOFRESIDUALSTRESSDETERMINATIONLECTURENo.3———BASICPRINCIPLEOFDETERMINATIONRESIDUALSTRESSBYMETHODSOFMAGNETISMANDULTRASONIC,ANDCOMPARISONOFTHEIRCHARACTERISTICSRANQi-fang1,L Ke-mao2(1.HenanCommitteeofNDT,Zhengzhou450052,China;2.HandanStressTechnologiesCo.Ltd.,Handan056000,,China)

介绍残余应力测定方法中的两种无损测定方法,即磁性应变法和超声声弹性法。这两种方法与其他的残余应力测量方法相比影响测量因素较多,有些问题有待研究解决。但是它们仍得到一定应用,也受到应力测量工作者的关注。最后对各种残余应力测量方法的特性进行了对比。1　磁性法当铁磁材料中有残余应力存在时,其磁性会发生变化,人们就利用磁性的这种变化来评定铁磁材料中的残余应力。目前应用的磁性方法有两种:磁噪声法和磁应变法。磁噪声法是铁磁材料在外加交变磁场的作用下,磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化,从而释放出弹性应力———应变波,此现象称为磁噪声,又称为巴克豪森磁噪声(BN)。研究表明,BN信号的大小与材料中的应力和显微组织及缺陷的变化有关,故有人用测量BN在探测线圈内感应产生的脉冲电压信号的大小来检测材料的应力、显微组织和缺陷。显然在测得BN信息大小时,还必须把各种因素的影响区别开来。收稿日期:2006-08-29作者简介:冉启芳(1936-),男,教授。在我国,测残余应力的磁性法用得较多的是磁应变法[1]。其原理是,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作用下其磁化状态(导磁率和磁感应强度等)也会发生变化,因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。当试样内存在残余应力时,也会使磁畴的移动和转向均受阻而使磁化率减小,这种现象称为磁弹性现象。铁磁性材料其导磁率的相对变化量与应力之间存在下列线性关系:Δμ/μσ=λ0μ0σ(1)式中　Δμ———导磁率的变化量,Δμ=μ0-μσ;μσ———材料有应力时减小的导磁率;λ0———初始磁致伸缩系数;

μ0———材料无应力状态时的导磁率;σ———应力。上式说明导磁率的相对变化量与应力成正比。CCY-84型磁性法应力测定仪器就是以磁性应变效应为依据,它采用槽型的高导磁率材料套上线圈作探头,探头与被测试样接触时形成闭合的磁性回路,见图1。当线圈通电时,磁回路中产生磁通。当试件中存在残余应力时,导磁率发生变化并导致磁回路中总磁阻发生变化。总磁阻R为探头磁阻·317·理化检验-物理分册冉启芳等:残余应力测定的基本知识———第三讲　磁性法和超声法测残余应力的基本原理和各种方法比较

图1　磁性法探头工作原理图Fig.1　Measureprincipledrawingofprobeaboutmagnetismmethod

R1和试件磁阻R2之和:R=R1+R2=L1μ1S1+L2μ2S2(2)

式中　L1,L2———分别是探头和试件的有效长度;μ1,μ2———分别为探头和试件的导磁率;

S1,S2———分别是探头和试件的磁路有效截面积。只要测出磁阻的变化就能测出应力。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件的应力。从平面应力状态下,探头的磁通量 是主应力σ1,σ2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。另一方面,主应力方向的输出电流差(I1-I2)与主应力差(σ1-σ2)成正比,即I1-I2=α(σ1-σ2)(3)式中,α为灵敏系数,它受材料种类组织结构状态等的影响。即使同一牌号的材料,由于成分波动或状态变化,α也不相同。因此灵敏系数必须用和被测试件完全相同的材料及相同的处理后的标样通过试验方法标定。有了灵敏系数α才能测出主应力差(σ1-σ2)。知道了主应力方向和主应力差值后再借助于其他试验方法与计算方法(如剪应力差方法)求出主应力的大小。关于灵敏系数α的标定方法及主应力大小的计算方法,可参阅文献[1]。采用上述仪器,有人[2]测定了容积为1000m3,直径达12.4m的高压球罐退火后的焊接残余应力。用同样的仪器测定了大型焊接结构1.6m3反铲挖掘机动臂振动消除应力处理前后的焊接残余应力。经相同部位的前后比较,测得的结果比较满意。必须指出的是,在用磁性应变法测定残余应力时应注意应力与导磁率在应力<300MPa时才近似于线性,即式(1),应力再增大,则呈非线性。因此磁性应变法不宜用来测定存在过高的残余应力的构件。另外,也应注意排除材料成分,组织结构和热处理工艺等因素给试验结果带来的影响。西安交大已研制成可测三维残余应力的磁性法应力测定仪。该仪器在磁性应变效应基础上,利用趋肤效应,改变激磁频率,测得不同层深的残余应力的加权平均值。然后再用数学方法求出沿试件层深的应力梯度。分析和计算用专用软件完成,结果表明,对已知应力的试样,用该装置测量,误差<±25MPa。2　超声法声弹性法测定应力是无损测量方法中受人关注的一种方法。它是通过超声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,因此又称为超声应力测定法。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。对于垂直于平面应力作用面传播的超声横波,其沿主应力方向σ1及σ2传播的两个横波分量的传播速度VT,1及VT,2之差与主应力之差成正比,即:(VT,1-VT,2)/VT,0=ST(σ1-σ2)(4)式中　VT,0———超声横波在无应力各向同性固体中传播的速度;ST———横波声应力常数,是一个与拉美常数μ和三阶弹性常数n有关的物理量,用试验求得,ST=(4μ+n)/8μ2。

由于材料的各向异性也会产生声双折射效应,因此在一个各向异性的固体中超声横波传播速度与应力之间的关系用下式描述:(VT,1-VT,2)/VT,0=α+ST(σ1-σ2)(5)式中,α为材料各向异性系数。由声弹性理论还可推知,当超声纵波垂直于平面应力作用面传播时,其传播速度的相对变化率(VL-VL,0)/VL,0与两主应力之和成正比,即:(VL-VL,0)/VL,0=SL(σ1+σ2)(6)式中　VL,0———超声纵波在无应力各向同性固体中传播的速度;VL———有平面应力时的传播速度;SL———纵声波应力常数。SL=[μl-λ(m+λ+2μ)]/[μ(3λ+2μ)(λ+·318·理化检验-物理分册冉启芳等:残余应力测定的基本知识———第三讲　磁性法和超声法测残余应力的基本原理和各种方法比较

2μ)],说明SL是一个与拉美常数μ,λ和三阶弹性常数l及m有关的物理量,也可由试验求得。由声弹性理论还可得到超声表面波速度与表面应力的关系:(V0-V1)/V0=K1σ1+K2σ2(V0-V2)/V0=K2σ1+K1σ2(7)式中　V0———无应力时表面波的传播速度;V1———沿σ1方向表面波的传播速度;V2———沿σ2方向表面波的传播速度;K1,K2———分别为与二阶和三阶弹性常数相关的表面波声应力常数。图2　超声横波在试样中传播示意图Fig.2　Propagationschematicdrawingofultrasonictransversewaveinsample显然,若先用试验方法得出材料的ST,SL,α,K1和K2,并测出无应力状态材料的VT,0,VL,0和V0,然后对有应力的试件测量VT,1,VT,1,VL,V1和V2,通过式(5)、式(6)和式(7)便可求得两主应力(残余应力或外加应力)。由上可见声弹性法测量应力的基本原理并不复杂,但是在实际的具体测量过程中常遇到如下问题。(1)与光波相比,由于声波的波长太长,速度太低,因此应力引起超声波在固体中传播速度的变化非常小,如100MPa的应力仅能引起金属铝中声速的0.1%变化,在钢中为0.001%。这就要求有精密的测量声速微小变化的仪器和高超的测量技术。(2)多晶体材料的不同晶粒取向和加工材料过程中产生的各种组织缺陷(包括织构、位错密度和晶粒大小等)所引起的声双折射效应与应力引起的双折射效应属于同一个数量级,因此必须将干扰声速的因素与应力因素区分后才能保证测量的准确度。(3)如何制作一个无应力(或已知初始应力),又要与材料实际加工处理十分接近的标样,以获得必须的材料声弹性特征值也有相当的困难。(4)高效横波探头研制和优良的横波耦合剂的研制等问题,也待研究解决。因此,声弹性测定残余应力至今还没有在现场实测中得到推广应用。测量声速的方法有近10种,以“脉冲回波重合法”(PulseEchoOverlapMethod)测量声速为例。它通过测量超声脉冲在一定长度的物体中的传播时间的变化[测量达到ns(10-9s)数量级]来算得声速变化,此法是属于位相比较法中的一种方法。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。国内研制的仪器多采用此法测量声速。显然,所测得的应力是超声波透入深度范围的平均应力。国内外报导[4]超声声速测定仪已成功地测定了紧固螺栓的轴向应力。值得注意的是这个应力并不是纯粹残余应力。目前关于声弹法测定残余应力的报导不多,说明声弹性法测残余应力方法尚须进一步研究才能得到推广应用。

3　各种残余测量方法的特性比较测量残余应力的方法不少,人们一般按其对被检测对象是否产生损伤分为有损法和无损法两大类,有损法又称为机械法测残余应力,它是采用机械加工的手段,对被测构件进行部分解剖或完全剥离,使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放,利用电阻应变计测出残余应力的方法。机械法测残余应力常用的方法主要有盲孔法、环芯法和剖分法(包括切条法、切槽法和剥层法)。无损法按其使用检测手段不同,分为X射线衍射法(包括底片法、衍射仪法和应力仪法)超声声弹性法和磁性法等。3.1　理想的残余应力测量仪器设备在实践中,人们按不同的目的,对残余应力测定仪器设备常提出不同的要求,归纳起来这些要求主要有:(1)这种测量仪器最好能测定出各种材料和由这些材料制成结构件的各种残余应力。这些材料中包括有黑色金属、有色金属、磁性材料、玻璃、陶瓷、高分子材料以及半导体、超导和纳米功能材料等。(2)这种测量仪器还能测定这些材料和构件经不同工艺处理后其表面和内部存在的残余应力,例如测定焊接件、浇铸件、锻压件和机加工件存在的残余应力,以及经过各种热处理、各种表面处理、喷丸强化处理、振动和应力腐蚀等所导致的残余应力。·319·