基于能量法的残余应力测试

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1、２０１４年１２月第３８卷第１２期犞狅犾．３８犖狅．１２犇犲犮．２０１４基于能量法的残余应力测试董达善，俞翔栋（上海海事大学物流工程学院，上海２０１３０６）摘要：通过对压痕过程进行理论分析，基于能量法研究了残余应力测试原理和方法。通过张量分解，推导了残余应力在压痕过程中所做的功；通过有限元分析，总结了残余应力对压痕过程的影响；根据功与能量的关系，建立了压痕功与残余应力之间的解析模型，并推导了残余应力求解公式。结果表明：残余应力对压痕加载的初始阶段影响很大，但对加载的后半阶段和卸载过程的影响很小，可忽略不计，并且拉应力对压痕过程的影响明显大于压应力，可以认为压痕在加载过程中是一个弹塑性的变形过程

2、，而在卸载过程中是弹性变形过程；试验证明了所建立的残余应力模型求解的残余应力是准确可靠的，可以用于残余应力的测试。关键词：残余应力；能量法；压痕；硬度中图分类号：ＴＢ３０２．５文献标志码：Ａ文章编号：１０００３７３８（２０１４）１２００９２０５犚犲狊犻犱狌犪犾犛狋狉犲狊狊犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犅犪狊犲犱狅狀犈狀犲狉犵狔犕犲狋犺狅犱犇犗犖犌犇犪狊犺犪狀，犢犝犡犻犪狀犵犱狅狀犵（ＬｏｇｉｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎ

3、ａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｗｏｒｋｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｄｉｎｔｈｅｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｂｅｄｅｒｉｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｎｓｏｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｎｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｒｅｌａｔｉｏｎ

4、ｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｗｏｒｋａｎｄｅｎｅｒｇｙ，ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｂｅｔｗｅｅｎｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄａｄｅｒｉｖｅｄｆｏｒｍｕｌａｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｈａｄａｌａｒｇｅｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｌｏａｄｉｎｇ，ｗｈｉｌｅｉｔｈａｄｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｈａｌｆｏｆｔｈｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｗａｓｎ

5、ｅｇｌｉｇｉｂｌｅ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｒｅｓｓｏｎｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｉｎｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｎｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｕｎｌｏａｄｉｎｇｗａｓｏｎｌｙａｎｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｍｏｄｅｌｗａｓａ

6、ｃｃｕｒａｔｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｔｅｓｔｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ；ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ；ｈａｒｄｎｅｓｓ［１］许多事故的主要原因。因此，残余应力的测试和０引言控制研究对保证焊接结构件的安全可靠具有重要焊接是目前许多大型结构的主要连接方式之意义。一。在港口机械中，焊接结构件的质量约占整机质目前，国内外测试残余应力最常用的方法是盲量的７０％以上。然而，焊接不可避免地会引起残余孔法和Ｘ射线衍射法。随着纳米技术的发展，２０世［２－４］应力，在一定条件下会严重影响结构的力学

7、性能，是纪７０年代出现了压痕技术。它的测试原理是在原有的应力场上叠加一个附加应力场。其优势在于它是一种非破坏性的测试手段，可以实现材料的收稿日期：２０１４０１１５；修订日期：２０１４１０１０基金项目：国家火炬计划资助项目（２００９ＧＪＣ０００１７）；上海市教委科在役检测，检测精度高，并且操作简单、测试成本较研创新项目（１２ＺＺ１５６）低。已有学者发现，在测试材料的显微硬度时，残余［５］作者简介：董达善