[發明專利]殘余應力測試分析的局部熱擾動方法

有效

• 申請號: 201110153054.8
• 申請日: 2011-06-09
• 公開（公告）號: CN102419224A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 吳臣武;陳光南
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝;王藝

技術領域

本發明涉及一種殘余應力測試分析的局部熱擾動方法。

背景技術

殘余應力是自平衡的結構/材料內部相互作用的體現，對殘余應力的充分描述是全面評價材料力學性能和結構可靠性的重要前提，也是進行材料/結構合理設計的重要依據。對于制備過程很簡單的材料/結構來說，或許能通過現有的理論計算來較準確的預測其殘余應力狀態；但是對于大多數的材料/結構體系而言，其殘余應力特征需要以試驗結合理論來進行測試分析。

目前主要的殘余應力測試原理和技術包括機械釋放法和物理測試法。其中機械釋放法如鉆孔法、塑性變形法等大多具有破壞或半破壞性，這在很多場合是難以適用的。以X射線衍射法等為代表的物理測試法，主要通過測試殘余應力導致的材料微觀結構如點陣常數的變化來反演殘余應力水平。遺憾的是X射線對環境和操作人員有一定影響，且X射線衍射設備相對比較昂貴、測試過程相對比較復雜，這就使得該方法且目前只能針對有限點作較精確的分析。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種測量精確且不會破壞材料的殘余應力測試分析的局部熱擾動方法。

本發明提供的一種殘余應力測試分析的局部熱擾動方法包括如下步驟：

1)對材料的待測局部區域加熱至該局部區域產生包含初始殘余應力貢獻的彈性變形，同時通過紅外測溫單元測量關鍵點溫度，并通過攝像單元采集所述材料的表面變形過程的圖像信息；

2)根據所述圖像信息通過計算得到熱擾動后該局部區域的視應變場ε_SH，基于有限元法計算局部加熱所形成的溫度場T并根據溫度場T計算得到熱彈性應變場ε_TE；

3)根據ε_SH＝ε_TE+Δε_IN的公式計算得到殘余應力應變場增量Δε_IN。

優選地，以紅外測溫結果對有限元計算的熱邊界條件進行修正。

優選地，所述攝像單元為高分辨率CCD相機。

優選地，采用激光束、電子束或火焰槍等對所述局部區域進行加熱。

優選地，所述足夠的彈性變形是指彈性模量E的變化量ΔE≥10％。

優選地，所述關鍵點是指指加熱區域中心點、距離中心點分別為2倍、1倍、1/2倍、1/4倍和1/8倍中心點和邊緣連線長度的點。

4)根據公式σ_IN＝[K]×Δε_IN計算出初始殘余應力場。

本發明通過對待測結構進行局部加熱制造局部熱擾動，熱影響區的材料因溫度升高而發生彈性性能變化、導致初始殘余應力/應變重新分布；殘余應力/應變的重新分布將在結構表面視應變中產生一個增量；通過對視應變的構成進行計算分離初始殘余應力的貢獻，從而獲得初始殘余應力的分布。由于本發明采用局部熱擾動的方式來檢測材料的局部殘余應力分布，因此不僅不用破壞材料本身，并且可以得到被測區域的殘余應力分布結果，而通常采用的X射線衍射法通常只能得到若干測點的殘余應力結果。此外，本發明通過控制紅外測量精度和CCD攝像的分辨率可以使得測量結果更加準確，從而大大提高分析的準確性。

附圖說明

圖1為本發明實施示例試樣拉伸狀態示意圖。

具體實施方式

下面結合具體的材料來對本發明的局部熱擾動法進行說明。

采用試驗機彈性拉伸鈦合金(Ti6Al4V)材料條狀平板試樣至有效段的應變為4e-3，然后以激光輻照局部加熱試樣并保持試樣總變形使應力在局部熱擾動下發生松弛，以CCD拍攝表面變形，以紅外測溫儀測試獲得典型測點溫度歷程，如圖1所示。

測量的區域是激光光斑覆蓋范圍，如圖1所示。

根據材料的熱-機械特性可以確定將材料加熱到425℃(中心溫度，下同)的時候，彈性模量E的變化量ΔE可以大于或等于10％，但不能超過500℃度，防止材料發生塑形變形。

采用激光束(也可以是電子束或火焰槍等，只要能夠產生較高能量密度的能束的儀器或是設備就可以)對圖1所示的待測局部區域進行加熱至425℃。采用紅外測溫儀測量該局部區域的關鍵點的溫度，這里的關鍵點是指加熱區域中心點、距離中心點分別為2倍、1倍、1/2倍、1/4倍和1/8倍中心點和邊緣連線長度的點。