残余应力基础理论与环芯检测技术应用

结构中残余应力的确定，对于估算结构服役寿命或剩余使用寿命是非常重要的。在某些情况下，残余应力的确定还可用于间接控制制造工艺，比如通过测量表面残余应力来检查因热处理引起的大型锻件的中心残余应力［51］。然而，表面残余应力总是会受到由粗车削引起的外应力的影响，同时很难将钻孔方法应用于非机加工轴的粗糙结构。受车削影响的深度约为1 mm，因此需要在表面以下至少2 mm处测量应力。在许多情况下，残余应力的容许极限约为60 MPa。

测量残余应力最常用的方法是钻孔法。它必须使用对非线性应力场敏感的程序来进行测量数据的求值，比如需要用到应变松弛导数的幂级数法、积分法。对于常规直径的应变花，这些方法的灵敏度不够，无法在指定的深度下给出符合要求的应力值。这也正是本案例中选择环芯法的原因［52-53］。环芯法的允许测量深度高达6 mm，它能够测得沿深度方向上的应力分布，并在不产生应力集中的情况下使应力完全松弛。

在环芯法的操作过程中，利用一个齿冠铣刀在结构件表面加工出环形槽［52］。该方法利用环芯的松弛效应来测量宏观固有应力。环芯面的松弛应变通过图4-36所示的三轴直角应变花来测量。借助于松弛系数K1、K2，并通过应变关于深度z的导数来计算残余应力。这些松弛系数来源于实验下的单轴应力R1，cal或者是有限元法［式（4-14）］。计算残余应力的过程如下：首先根据式（4-15）～式（4-17）求得a、b、c方向上的残余应力，主应力及其方向则根据式（4-18）得到。这个计算方法与盲孔法中用到的类似。该方法的缺点是必须要有相对较高精度的导数计算。具体计算公式如下：

图4-36　真实的应变花TML FR-5-11-3LT（参见彩图附图11）

以大轴为例，在主轴方向已知的情况下进行产品测试，简化微分法是合适的选择。该方法的基础是，环芯槽内的残余应力可以假定为恒定的。计算槽深为z～2z，在直角应变花a、c两个垂直方向上的主应力为R1和R2，计算过程中用到的是依据每次挖槽增量下a、c方向上的应变变化Δea、Δeb。根据关系式（4-22），依照式（4-21）中深度差得到的松弛系数A和B被用于应力计算。具体计算公式如下：(www.xing528.com)

本案例中所使用的环芯法铣削装置如图4-37a所示。带有集成导线的、以三线式接线法连接的特殊应变花FR-5-11 TML被安装在标记圆的中心。使用静态测量放大器TC-31K TML来接收并记录测得的应变。φ14/φ18 mm的环形凹槽采用特殊的管状铣刀，以0.5 mm的步长进行加工，深度则通过千分表来控制。

图4-37　环芯法所使用的铣削装置以及测试的大型转子锻件

图4-38　利用环芯法和钻孔法测得的应变松弛以及主残余应力

这里展示的应用是，通过测量表面残余应力来检查因热处理引起的大型转子锻件中的中心残余应力。其主要目的是分离因粗车削所带来的表面应力。图4-38显示的例子是热处理后锻造转子件（材料为25Cr2Ni4Mo V）中所测得的应变松弛，该转子件的平均直径为1 100 mm（图4-37b）。利用应变松弛的导数的多项式近似，来计算沿深度方向上的主应力。深度为2～4 mm的平均应力如图4-38所示。同时，与简化方法进行了比较。通过对环芯法和钻孔法获得的数据进行比较，证明了环芯法对实际试件具有更高的灵敏度。