一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法

摘要

一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法，用于测试材料内部的残余应力分布情况，包括以下步骤：（1）试样制备，（2）应变片粘贴，（3）装夹定位，（4）参数选定，（5）测试实验，（6）突发状况应对机制以及（7）柔度函数计算等步骤。该方法系统、准确地完成基于裂纹柔度法的残余应力测试实验的应变采集，同时可以高效完成柔度函数的计算，最终方便工程人员快捷、高效地获得所测材料的残余应力；该方法通过对测试规程的系统化和规范化，提高了应变采集的精度和效率，且有限元法柔度函数计算速度快、效率高，可广泛应用于工程中板材内部应力的检测。

主权项

一种基于裂纹柔度的材料内部残余应力检测方法，其特征是：包括以下步骤：（1）试样制备：在板材的内部截取试样，试样的长度和宽度尺寸均为板材厚度尺寸的2.3‑2.5倍，切割试样时试样的长度和宽度边界至少有一个与板材轧制方向垂直或平行，再截取一块用于应变的补偿试样；以试样的一个切割面作为第一基准面，与第一基准面相邻的一个切割面作为第二基准面，没有切割过的试样两个表面作为试样的正反面，清除试样各表面的污物，在试样的相应位置标记出板材的轧制方向、试样的基准面和试样的正反面；（2）粘贴应变片：①应变片粘贴位置的选定：基于第一基准面，在试样正面画竖直和水平的两条对称线，称为正面竖直基准线和正面水平基准线，在试样反面画竖直和水平的两条对称线，称为反面竖直基准线和反面水平基准线；在试样的正面画一条与正面竖直基准线平行且间距为5mm的竖直定位线，以该竖直定位线和正面水平基准线的交点为中心，准备贴一片正面应变片，保证正面应变片的竖直定位角对准竖直定位线；以反面竖直基准线和反面水平基准线的交点为中心准备贴一片反面应变片，保证反面应变片的竖直定位角与反面竖直基准线重合；②应变片检查：应变片使用前应进行外观检查和阻值测量，外观检查就是检查敏感栅有无锈斑和缺陷，基底覆盖层有无破损，基底是否有气泡、皱折和坑点；引线是否牢固；阻值检测就是检查应变片是否有短路或断路情况，其阻值是否在应变采集箱可平衡范围内；③试样表面处理：打磨试样需贴应变片的位置并用酒精将打磨过的表面擦拭干净；④粘贴应变片：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，按步骤①给出的应变片的粘贴位置准确粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压1‑2分钟，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；⑤对粘贴的应变片检查：对基底有损坏、敏感栅有变形短路和断路、贴片位置不正确、有气泡、局部没粘上、绝缘强度不符合要求的情况，应排除或铲除重贴；将应变片的两根引线挑起，截取一块接线端子，粘在应变片的后面；⑥连线：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将试样的数据连接线连到应变采集箱的1‑8通道上，补偿试样的连接线接到应变采集箱的补偿通道上；试样和补偿件用一根导电线连接，再将导电线连接到应变采集箱的地线接口上，保证试样与应变采集箱可靠接地；（3）装夹和定位：将试样的第一基准面置于线切割机床的工作台上，并装夹在，贴有正面应变片的一侧悬空，并对试样的反面表面找平，最终保证试样的被加工面与机床的xoz面平行；然后将电极丝移动到工件的反面，并移动到电极丝与该面的反面基准线对齐，此时为机床的x轴清零，然后将电极丝移回至试样正面；同时对y轴清零；（4）切割参数选定：切割参数包括进给量和进给次数，将进给次数定在30‑40次；最终不需要将工件切断：切割到工件厚度的95%‑98%时获得的数据都是有效的，当快切割到试样反面的时候，在机床不通电的情况下，托起悬空的试样，托起的力等于试样的重量，如果读数有明显的波动则立刻停止切割；如果出现读数无法稳定的情况，停止切割；最大切割到试样厚度的98%；（5）测试实验：每次进给结束后，保持电极丝在最终的位置持续工作10‑15秒，然后停止切割并将电极丝断电，待应变数据稳定在1‑2με内变化时，记录数据并继续切割；（6）突发情况处理方法：①断丝：如果断丝应立刻停机，并记录此时的应变数值，并将电极丝移出试样，重新穿丝，然后在给电极丝定位时将电极丝移到裂缝的尖端，待应变数据稳定后记录此时的数据；如果因为材料属性问题裂缝发生闭合，无法将电极丝移至裂缝尖端，则在裂缝内进行穿丝；如果无法实现穿丝，从试样表面重新切入；②裂缝闭合：裂缝发生闭合，则从头再切进去；③裂纹扩展：当切割到残余拉应力区时，裂纹发生自发地扩展，此时测试停止，当然这种情况极少发生；（7）测试后的相关尺寸测量，需要采集如下参数：①裂纹的宽度，在裂缝的末端量取；②切口到应变片中心的距离；③试样的厚度；④裂纹的长度；⑤将试样反过来重复1‑4步，然后取数值的平均值；（8）柔度函数的计算：采用有限元软件来进行柔度函数的计算，首先对试样建模，并将插值函数作为初始应力载荷沿厚度方向施加到模型上，通过模拟裂纹的产生，同时输出所需点的位移值来得到柔度函数值；步骤如下：①建模与网格划分：根据试样的对称性，以线切割的裂纹为对称轴，对半个试样建模和网格划分，采用八节点平面应变单元，试样左侧网格间距为裂纹宽度的一半，其余网格从左往右过渡到网格间距2mm，并输入材料的弹性模量和泊松比；②载荷与边界条件：约束试样左侧x方向及左下侧端点的x、z方向的位移自由度；并利用Load Case功能将2‑14阶勒让德多项式分别作为初始应力载荷沿板的厚度方向加载；③裂纹模拟及数据输出：通过使裂纹处单元依次失效来模拟裂纹的产生，最终输出应变片所在位置处节点的位移值。