冲击压痕测量残余应力的方法

残余应力的测量技术始于20世纪30年代, 发展至今共形成了数十种测量方法,但方便、迅 速、准确、直观、无损的测量方法一直是国内外有 关学者努力探索的目标.近年来,一种新的测量技 术———冲击压痕法[1],正引起各国学者的重视, 该方法与其它方法相比具有对工件破坏小、设备 简单、操作方便、适于现场测量等优点,是一种很 有发展前途的残余应力测量方法.

    1　冲击压痕法的发展过程

冲击压痕法是在硬度法[2]的基础上发展起 来的.早在20世纪50年代,人们就发现工件表面 硬度与其表面残余应力间存在反比关系[3].运用 这一关系测量其残余应力的方法叫硬度法.硬度 法的测量精度依赖于静压力和压痕尺寸的测定, 误差很大,且缺乏严密的科学性,难以建立直接的 力学模型,因此又在硬度法的基础上发展出了压 痕法.该方法在70年代就有所应用.例如,Under- wood[4]的压痕法是先对有残余应力的工件的表 面打磨,用小球在表面工件上压一凹痕,再在凹痕 上覆盖一玻璃片,用单色光从侧面进行照射,用显 微镜从垂直于工件表面的方向观察由凹痕周围的 变形引起的干涉条纹,根据条纹的数目和形状来 确定工件表面残余应力的值.但该方法有以下几 点缺欠:首先,条纹数和条纹形状由目视测定,误 差大;其次,根据以往的试验,凹痕周围的变形与 被测工件本身的材料性质、压痕形成速度、表面的 冷加工强化和硬化等因素有关,所以凹痕周围的 干涉条纹的图样必定受诸多因素的影响,测量的 精确度大打折扣.近年来,压痕法又有新的发展, 主要变化就是采用应变片测量压痕周围(塑性区 以外)的应变来代替用单色光干涉条纹图样.如图 1所示,在工件待测点中心放置直径为2 mm的 轴承钢球,通过冲击或静压的方法施加冲击功W 或静压力P,使其在工件面产生一球冠形压痕,由 压痕引起的应变变化值(即应变增量)与压痕直 径、工件表面残余应力存在一定的关系,利用这种 关系可以测出工件表面的残余应力.

压痕法虽应用广泛,但还存在一定的问题:如 在压痕附近的塑性区内应变增量分布情况难以准 确测量,塑性区尺寸与压痕直径、残余应力的关系 如何确定.本文通过有限元方法分析压痕附近塑 性区的尺寸,得出在塑性区外的应变增量与压痕 直径、应变增量与残余应力的关系.从而得到可用 于实际测量残余应力的标定图.

    2　计算分析模型

    将直径为2 mm的小球放在尺寸为60 mm× 40 mm×10 mm的板中心,对小球施加静力P,如 图1所示.板材取16 Mn钢,弹性模量210 GPa 屈服强度345 MPa,简化为理想弹塑性材料.小球 可以假定为刚性的.由于计算模型对称,我们取试 样的1/4进行分析,对模型共划分1 568个4节 点四面体块单元,如图2所示.小球与板之间是接 触的,它们之间的摩擦按库仑摩擦计算,因此在球 面和板的面上划分接触单元.