环芯法是一种有损残余应力测试方法。环芯法由德国学者Milbradt于1951年提出,与经常使用的钻孔法相比,环芯法的测试精度更高。早在20世纪70年代,国际上就采用环芯法来测定大型铸钢件、锻件和焊接件的残余应力;之后,在大型汽轮机、汽轮发电机转子等大型工件的残余应力评估中,环芯法逐渐成为常用方法。1999年,我国颁布了行业标准《环芯法测量汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的试验方法》(JB/T 8888—1999)。有关环芯法测定残余应力的标准在国际上不多见,这部至今仍在使用的行业标准不仅为大型汽轮机、发电机转子残余应力的测定提供了有效实用的方法,而且对具有相同前提条件的其他工件残余应力的测定也具有直接应用价值或借鉴意义[67]。
环芯法指在由3个应变计组成的应变花周围铣一环形槽,以测定释放出来的应变,如图2-30所示。释放应力与测定应变的关系见式(2-25)[68],即环芯法测定残余应力的基本公式。
图2-30 环芯法测定残余应力的原理图
式中 σ1,σ2——工件内的最大残余主应力和最小残余主应力;
α——应变计1的轴线与主应力σ1的夹角;(www.daowen.com)
A,B——应变释放系数;
εα,εα+90°,εα+225°——图2-30所示3个应变计的应变值。
应变释放系数A和B可由试验标定和数值标定两种方法确定。标定时通常采用单向拉伸应力状态(σ1=σ,σ2=0),应变花的α轴和(α+90°)轴分别与主应力σ1和σ2的方向平行(即α=0°)。由式(2-25)求得标定系数公式为
采用式(2-26)标定释放系数A和B。在弹性范围内,当环形槽的几何形状确定时,应变释放系数仅与材料的特性有关,与外加应力无关[69]。
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