用环芯法测定残余应力的基本原理和潜在的应用范围

残余应力是构件在没有外力或力矩的作用时存在于内部的应力。这种内部作用力和力矩是相互平衡的。在构件内部产生残余应力变化的主要原因是:

(1)在超过材料弹性极限的部件内基本是由不均匀的应力分布和拉拔工艺产生的。

(2)热加工中的不均匀塑性变形和不均匀的体积变化而产生的。

(3)去掉或增加工件表面的工艺引起的。如:机械加工、机械处理或焊接等。

(4)晶格组织结构变形引起的。

通常我们将残余应力分为宏观应力和微观应力。宏观应力是由机械加工及热处理等物理作用而产生的。它的大小、方向和性质等可用通常的物理的和机械的方法进行测量。微观应力是由内部晶格组织结构不均引起的;该种应力在工程测试中很少涉及。

测量残余应力的方法一般分为无损坏检测法、部分损坏检测法和全部损坏检测法。后两种方法是部分的或全部的去掉测点周围的材料组织即去掉了对该点的约束，使得应力全部或部分释放。环芯法是部分损坏检测法，也称部分释放法。

1环芯法测量残余应力的原理

该种方法是在待测工件表面用一种皇冠形铣刀加工出一个圆环形槽，中间为一个环芯。加工出的环芯应该是外力对它的作用最小，释放出的应变最大。用特制的应变花来测量环芯部位释放出的应变，通过相应的公式计算，即可得出该部位的残余应力大小和方向。图1所示即为该测量方法特制的应变花。从理论分析与测得结果可知任意方向的应变都是槽深Z的函数，且满足公式(1)：

式中E是弹性模量，K闭是释放系数，σz是在槽深为Z时在工件表面测得的残余应力值。释放系数的大小取决于环芯的直径、环形槽的形状、环形槽的深度、使用应变计敏感栅的长度及应变计在环芯上粘贴的位置。要想测量平面A、B、C三个方向的平面应力，应将应变花的三个应变计的轴线按照测定工件表面的三个方面粘贴。应变花中三个应变计测得的应力通过公式2，3，4计算得到。

两个主应力的作用方向与测量时参考轴选定方向之间的夹角a由公式(6)确定。两个主应力的方向是互相垂直的。

式中的释放系数K1，K2可以通过标定和计算得到。标定时必须在已知的单向拉伸应力场状态下进行。两个主应力的方向分别用数字1和2来代表。根据测得应变用公式7和8求出释放系数。

    图2所示为释放系数K1，K2与环形槽深的关系曲线。根据释放系数和实测的应变值就能计算出残余应力的大小和方向。