盲孔法測量殘余應(yīng)力的原理

1、前言：
    通常講，一個物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。
    按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：
     *Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個物體各個截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當一個物體的*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時，物體會產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。
     *Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。
     *Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于*小范圍（幾個原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。
     在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力的測量技術(shù)*為完善，它們對材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得*為透徹。
     除了這樣的分類方法以外，工程界也習慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且一般指的都是*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。
2、鉆盲孔法測量殘余應(yīng)力的原理
      目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔，使被測點的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計算出殘余應(yīng)力來。鉆孔的直徑和深度都不大，是一種微創(chuàng)檢測方法，不會影響被測構(gòu)件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的方法。
     當殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布比較均勻時，可采用一次鉆孔法測量殘余應(yīng)力的量值。
在有殘余應(yīng)力的焊接鋼板上鉆一小孔，因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場發(fā)生變化。只要測出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可計算出板上鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值σ1 、σ2：

TJ120-1.5-φ1.5應(yīng)變花在普通鋼材上的釋放系數(shù)，為：

A=-0.0725±10%（2 倍標準差）

B=-0.15140±6%（2 倍標準差）

     需要說明的是，釋放系數(shù)A、B與應(yīng)變花的幾何尺寸、孔徑、孔深及材料的彈性模量E及泊松比μ有關(guān)，應(yīng)用時須對每種被測材料進行標定，A、B系數(shù)不能通用
     被測點鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計所測出的釋放應(yīng)變值很小，須采用高精度的應(yīng)變計。為了不斷提高測量精度，還須十分注意產(chǎn)生誤差的各種因素，其中*主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)，還有應(yīng)變測試誤差。一般來說鉆孔深度 h≥2a 即可。
3、殘余應(yīng)力檢測儀器
       殘余應(yīng)力檢測儀器的實質(zhì)是電阻應(yīng)變儀。殘余應(yīng)力檢測儀是利用應(yīng)變片直接測量殘余應(yīng)力的專用儀器，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常常需要研究機械設(shè)備構(gòu)件或組件應(yīng)力的狀況，測量構(gòu)件形變時應(yīng)變力，如高壓容器（高壓氣瓶、高壓鍋爐），生產(chǎn)過程中須采用應(yīng)變測量方法檢測耐壓和變形時壓力；火炮生產(chǎn)需了解火炮發(fā)射時炮管形變，飛機導(dǎo)彈研制時要在特殊的“風洞”實驗場中模擬高空狀態(tài)下飛行時機身、機翼等各部件的形變情況；汽車制造需測試汽車底盤承壓時的形變。
應(yīng)變儀原理框圖

        殘余應(yīng)力檢測儀是三路應(yīng)變測量電橋組成的，內(nèi)置高速CPU,對測量結(jié)果進行實時計算，能根據(jù)不同材料輸入不同常數(shù)，直接計算和顯示殘余應(yīng)力大小和角度。測量的準確性和穩(wěn)定性取決于檢測儀的電橋的精度，放大器的溫飄，濾波器的精度。
4、應(yīng)變片溫度誤差及補償
      應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應(yīng)變片的電阻也會變化，這種變化疊加在測量結(jié)果中稱應(yīng)變片溫度誤差。

       應(yīng)變片溫度誤差來源有兩個：應(yīng)變片本身電阻溫度系數(shù)αt影響和試件材料的線膨脹系數(shù)βg影響。溫度補償方法:電橋線路補償、自補償、輔助測量補償、熱敏電阻補償、計算機補償。通常采用線路補償:在被測上安裝一個應(yīng)變片，在另一個與被測試件上安裝一個補償片，并完全處于相同的溫度場，測量時位于相鄰的電橋臂上，溫度變化時ΔR1與ΔRB相等變化，使電橋輸出U0與溫度無關(guān)。
5、鉆孔設(shè)備及鉆孔要求
    （1）.鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時要求對中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖，這種鉆具能較好地實現(xiàn)上述要求，借助4個可調(diào)節(jié)X、Y方向的位置和上、下位置，以保持鉆孔垂直于工件表面，用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。

    （2）.鉆孔的技術(shù)要求：
       ①被測表面的處理要符合應(yīng)變測量的技術(shù)要求，直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準確地粘貼在測點位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。
      ②鉆孔時要確定鉆桿與測量表面垂直，鉆孔*心偏差應(yīng)控制在±0.025 mm以內(nèi)。
      ③鉆孔時要穩(wěn)，機座不能抖動。鉆孔速度要低，鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度漂移，孔周切削應(yīng)變*大使測量不穩(wěn)定。為消除切削應(yīng)變的影響，可先采用小鉆頭鉆孔然后再用銑刀洗孔。

如果無法使用小孔鉆，可以使用噴沙打孔法打一盲孔，噴沙打孔的方法就是利用壓縮空氣帶動Al2O3或SiO2粉末，通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對準應(yīng)變花*心打孔標志，噴吹表面而得一盲孔。這種方法實際上是一種磨削過程，其產(chǎn)生的熱量由氣流冷卻，加之切削量很小，因此打孔時引起的附加應(yīng)力較小，噴沙打孔法的測量精度較高。