剥层法测量注塑制品内残余应力

1.测量原理

剥层法测量原理是，利用机械加工或化学腐蚀的手段，将被测构件一层层剥离，使剥离层的残余应力得以释放，在剩余厚度构件中产生一定的应变；根据所测的应变值及剩余构件厚度，即可计算出释放应力值，此即是剥离层中的残余应力。如此逐层剥去，残余应力在整个平板厚度方向的分布情况就清楚了。

2.测量方法^[4]

对陶瓷试件进行剥层，应既要剥层均匀又不产生附加应力。试件剥层法可采用腐蚀剥层法和研磨抛光法，两种方法都可以利用应变片来测量残余应力。其具体方法是，将应变片粘贴在薄板试件磨削平面的背面，对已磨削平面进行剥层，使表面残余应力释放引起试件产生应变；此应变通过应变片接收后由应变仪放大进行测量，再根据弹性理论求出残余应力。

（1）腐蚀剥层法 腐蚀剥层法属于连续测试法。用氟化氢作腐蚀液，可用腐蚀法连续测量磨削表面残余应力。用这种腐蚀法测出的残余应力数值比X射线衍射法测试值初期偏高，随着距离表面深度的增加，偏差值减小。这是因为X射线具有一定透射深度的缘故。但腐蚀法测试时间较长，腐蚀液对设备和环境会造成一定的污染，故只适用于单件或小批量零件的测试。

（2）抛光剥层法 抛光剥层法属于间断测试法。与腐蚀法相比，抛光剥层法更简便实用。该方法测试残余应力具有一定的精度，测试周期短，是一种有效的测试方法。但是，抛光法必须要克服应变信号的零漂移和抖动问题。在微去除量研磨剥层时，要避免产生附加应力。应变信号灵敏度的稳定性受试件尺寸的限制，其中试件厚度和长度比的影响最大。

3.计算方法

（1）厚板残余应力计算公式 厚板内部残余应力测量在工程中常用剥层法，其经典公式为^[5](https://www.xing528.com)

式中，ε为测量得到的应变，是剥层深度a的函数ε（a）。

（2）注塑件残余应力计算公式 当厚度均匀的薄层从试样表面剥下，试样上的应力平衡被破坏，试样翘曲成圆弧状，通过测量曲率可计算出剥层位置截面上的残余应力分布。计算公式如下：

式中，σ_x为x坐标方向的应力；y₁为每次剥层后新表面的位置；E为被测材料的弹性模量；ν为泊松比；±b分别表示试样没有剥层时的上下表面位置；ρ_x、ρz为x坐标方向和z坐标方向的曲率。

沿z坐标方向的应力σ_z可通过将式（3-13）中的下角标x替换为z得到。

对于各向同性材料，残余热应力引起的剥层x坐标方向和z坐标方向的曲率是相等的，考虑残余流动应力的影响，剥层在流动方向和垂直于流动方向上的曲率有所不同。因此，剥层法测量既能反映注塑制品内的残余热应力，又能反映残余流动应力。不同材料的注塑制品，对于剥层厚度、剥层方向、剥层面积大小都有不同的要求。由于剥层厚度很薄，一般只有几个毫米，因此对剥层设备、剥层技术要求较高。

逐层剥层法适用于某些具有特定外形的构件（如平板、圆盘、圆筒、管件、球形构件，以及具有长方形截面的梁、柱构件等），并且可以测出平面应力沿厚度方向的分布，这些都是其他测量方法所难以实现的。但是，该方法须彻底破坏被测构件，因此不能用于实际的工程测量。而且，它费工费时，操作工艺复杂，机械加工和夹固过程中都会产生附加应变，从而造成很大的测量误差。这些不足之处使该方法的实际应用受到很多限制。