超声冲击装置及残余应力研究

超声冲击的设备装置图如图3－1所示，超声冲击装置由功率超声波发生器和执行机构构成。何柏林等［19］研究发现超声冲击对表层组织细化的原因是晶内位错线缠结形成位错墙并分割原始晶粒达到细化晶粒的作用。研究表明：超声冲击可引入残余压应力，冲击层获得的最大残余压应力是距离冲击表面0．2mm处。

理论教育 2023-11-20

磁测技术的基本原理：欲知残余应力

目前，残余应力的检测趋向于采用无破坏性方法。式说明导磁率的相对变化量与应力成正比。金属磁记忆检测是一种新型的无损检测方法，其适应性和相关机理仍处于不断研究和探讨之中。目前在某些方面已经取得了较好的研究成果，例如，通过李萨如判定法对受载铁磁构件应力集中以及应力集中程度实施初步的定量化评价［31］，为金属磁记忆检测的精准应用奠定了基础。

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超声波测量残余应力原理与成果

由于激光超声信号产生的波形复杂，在固体中传播能量衰减快并且信号幅值微弱，因此激光超声信号的检测技术需要具备宽频带、高分辨率的特点。目前，激光超声的检测技术主要有接触式检测和非接触式检测两大类。非接触式方法一般采用光学方法接收超声信号，可分为干涉法和非干涉法。非干涉法包括光偏转检测法、表面栅格衍射检测法，干涉法包括速度干涉法、共焦Fabry－Perot干涉法、外差干涉法等，但是非接触式方法一般获得的信号幅值比较低。

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实验程序及方法B的残余应力测量

对于方法B，顶端倾角不作要求，钻孔深度超过1．2 D0即可。即使每次的进刀量与规定值0．05D或0．06D存在小的偏差也不会对残余应力测试结果造成太大影响。因此本方法实际上测量的是距表面深度0．2D或0．3D的近表层内的残余应力的平均值。4．非均匀应力状态厚工件的钻孔程序钻孔前先读取每个应变计的初始应变值，然后开始缓慢进刀，直至划透应变花基底并稍稍刮擦工件表面，将该点设定为“零”孔深。

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精度和偏差对残余应力测量的影响

采用式—式可以减少随机误差对测试结果的影响，提高测量精度。由于存在着应力梯度，因此很难确定单一的不确定度或标准偏差，而须将整个孔深范围内的应力值都考虑在内。某些因素会影响到测量精度和准确性，例如钻孔偏心，近表面存在大的应力梯度，在头几个钻孔步进深度内测得的应变量较小以及孔深零基准面的确定。

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超声波检测技术特点与书籍《残余应力》相关

1．电磁超声法常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂才能实现与被测部件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的测量环境。EMAT的缺点是插入损失比普通的压电换能器大得多，所以在激发和接收时必须调整阻抗。与传统的压电换能器技术相比，激光超声最主要的优点也是非接触测量，它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响，可用于各种较复杂形貌试样的特性测量。

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残余应力测试原理-残余应力

钻孔法又称小孔释放法，是一种有损的残余应力测试方法。小孔释放法最早是由Marthar等［71］在1934年提出，并制定了第一个盲孔法测试标准。钻孔法较为广泛地应用于测试应力梯度变化较大的焊接构件上。因为钻孔法操作方式简易，测试成本较低，被广泛应用于工程测试中。此外，在2014年，我国颁布了《金属材料残余应力测定钻孔应变法》的国家标准［74］，进一步对这种残余应力测试方法进行规范。本节以盲孔法为例介绍钻孔法测试残余应力的原理。

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X射线衍射测试原理及残余应力分析

X射线衍射法的原理是基于材料晶面间距的大小和变化。X射线应力测定的衍射原理图如图2－25所示。在二维应力情况下，试样表层对选定应力方向（X方向）的应力可用式计算，该公式为X射线衍射法检测残余应力的基本公式。图2－25 X射线衍射原理图1978年，Taira等首次提出用“cosα”方法来进行X射线衍射应力分析，后来这种方法又被扩展为单次曝光法并被多次改进［65］。

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低速钻孔标定实验及计算公式

但是，如果要测定高应力场中的残余应力，就可以采用高应力下的标定常数，即将标定应力提高，例如提高到0．9σs，在此应力下得到的A，B常数用于计算高值残余应力场将具有很好的精度。有了这3种应力状态下的标定常数，就可以很好地避免小孔边缘塑性变形引入的误差，从而得到较准确的残余应力计算值。1．标定实验及计算公式标定实验是在标定试样上进行。

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喷丸处理：残余应力及表面硬化效果分析

图3－12为喷丸强化原理的示意图，喷丸过程中弹丸流经过喷嘴加速喷射，对靶材表面造成断续冲击。经喷丸处理后，靶材表层是否一律发生硬化，往往由材料固有的循环塑性应变特性所决定。图3－13 喷丸强化原理示意图喷丸工艺常作为金属零件表面强化处理方法之一，在航空航天、汽车及船舶等工业得到广泛应用。喷丸处理对材料表面引入的残余压应力可以增强材料抗疲劳性能的作用已经获得认可，但是在表面粗糙度和加工硬化上没有达成一致。

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X射线检测原理及残余应力

反之，通过分析X射线衍射谱上的衍射信息可以测量出同一晶面衍射角的差异，利用布拉格方程得出晶面间距的变化，接着求出应变的大小，而应变和应力之间满足胡克定律的关系，最后可以得出材料中内应力的大小。英国物理学家布拉格父子于1913年提出了布拉格方程，他们发现可以将晶体的空间点阵看成是一组晶面间距相等并且互为平行的一组平面点阵，某类晶面对X射线的反射可以看作是晶体对X射线的衍射。

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残余应力：模拟过程二次开发成果

不同的软件各有优劣，因此不必纠结绝对的好与坏，只需选择最适合本行业的模拟软件即可，此处依旧以ABAQUS为例，简单介绍如何通过二次开发来提高数值仿真的效率。图5－20 结果提取的GUI插件图5－21 残余应力场的结果输出数值仿真计算以及相关的二次开发所涉及的内容很多，面很广，本节只进行了简要的介绍，对有限元模拟在残余应力计算中的应用有一个初步的认知。

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喷丸强化残余应力模拟方法

喷丸强化前面章节已有详细介绍，本节主要介绍喷丸强化残余应力模拟，其中涉及的材料为Ti2AlNb，涉及的模拟软件为ABAQUS［6］。表5－2列举了通过实验和数值模拟获得的残余应力场特征参数，可以发现最大残余压应力值的误差分别为5．6%和7．4%，相对的总残余压应力层深度误差分别为5．4%和7．8%，满足工程可用的误差要求，由此进一步证明了利用数值仿真计算喷丸强化残余应力的准确性。表5－2 实验与模拟的残余应力场参数对比

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纳米压痕技术：硬度测量与残余应力

纳米压痕技术最早用于硬度的测量方面，一般采用一定形状的压头对材料施加一定载荷，保持载荷一段时间后进行卸载，通过计算材料表面的压痕面积，再根据所施加载荷与压痕面积或深度之间的关系得到材料的硬度。纳米压痕技术最早由Oliver等人提出，其相对于传统的压痕硬度测试法，不仅在测量尺度上有很大的突破，还大大拓宽了测试范围。纳米压痕技术不仅可以得到硬度和弹性模量，而且可以得到蠕变参数、残余应力、相变、位错运动等参量。

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钻孔测试残余应力特点

钻孔法是常用的残余应力测定方法之一，具有操作简单、成本低、检测速率高、应用范围广等特点。与射线、超声等无损测定方法相比，钻孔法会对试样造成损伤［77］。同时，钻孔法不适合检测残余应力数值较小的试样及具有较大应力梯度的试样。如果孔的深度超过其直径或残余应力大于50%的屈服强度时，将导致在孔周围产生材料的局部屈服，可能造成测量结果的不准确［78］。

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残余应力的重要意义及影响

在很多实际问题中，残余应力对于零部件的使用安全性和服役耐久性具有重要的意义。无意中引入的残余拉应力对于疲劳抗力是有害的，而残余压应力则可显著提高疲劳性能。由于没有外加载荷作用，残余应力有时被称为第一类内应力。图1－1是一种可能存在的残余应力分布形式。如果变形仍为弹性行为，则材料将对外加载荷引起的应力分布与残余应力分布之和作出响应。

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