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各种应力检测方法比较

2017-08-30 12:40:57 西安丰登光电科技有限公司 阅读

应力检测方法比较

      目前,测量应力的方法主要分为两大类:物理检测法和机械检测法。物理检测法,如X射线衍射法、超声波法和磁测法等,这些方法均属于无损检测,对工件不会造成物理损伤,但成本较高;机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏,例如切割法(又称剖分法)和环芯法对工件的破坏较大,一般将具有残余应力的部分从构件中分离或切割出来,使应力释放,然后测量其应变的变化求出残余应力,属于间接测量手段。现有其他应力检测手法比较如表所示。

残余应力测试方法图

应力检测方法比较汇总表

方法
原理
适用对象
优缺点
第一代X射线衍射法
第一代点、线探测技术:根据布拉格定律2dsinθ=nλ,当受力时d会发生变化,通过测量应力引起的衍射角偏移,从而算出应力大小。测量时需要多次(一般5-7次)改变X射线的入射角,并且调整一维探测器的位置找到相应入射角的衍射角,施加应力后,通过测角仪得到衍射角发生变化的角度,从而计算得到应力数据常规法:弹性各向异性的同性晶态材料。侧倾法:脆性、不透明材料

1)无损、准确、可靠;

2)成本高;

3)射线穿透能力有限,只能测量样品表层几微米厚度的应力;

4)存在辐射,长期操作人员有存在职业病

5)操作繁琐,需要专业人员操作

第二代X射线衍射法第二代全二维面探测器技术,单角度一次入射后,利用二维探测器获得完整德拜环。通过比较没有应力时的德拜环和有应力状态下的变形德拜环的差别来计算应力下晶面间距的变化以及对应的应力,施加应力后,分析单次入射前后德拜环的变化,即可获得全部残余应力信息适合各种金属材料

1)更快:二维探测器一次性采集获取完整德拜环,单角度一次入射即可完成测量,全过程平均约90秒。

2)更精确:一次测量可获得500个数据点进行残余应力数据拟合,结果更精确。

3)更轻松:无需测角仪,单角度一次入射即可,复杂形状和狭窄空间的测量不再困难。

4)更方便:测量精度高,无需冷却水,野外工作无需外部供电。

5)更强大:具备区域应力分布测量成像(Mapping)功能,晶粒大小、材料织构、残余奥氏体分析等功能。

中子衍射法
与X射线衍射法类似,通过研究衍射束的峰值位置和强度来获得应变和应力
复合材料、多相材料等

1)无损、穿透能力强;

2)空间分辨率可达到毫米量级;

3)可以测量材料内部的残余应力;

4)成本高,无法用于现场测量;

目前国际上稳态堆上用此方法进行材料内部应力测量,但未广泛开展使用
超声法利用超声波原理可以测材料内部残余应力吸声材料不能测或者有超声波的环境不能测

1)操作复杂,环境要求比较高,对周围产生超声波的情况下不能测,对温度敏感,应为每种材料在不同温度下,声速不一样,误判率高

2)只能在特定环境,特定实验条件下测量

3)精度极差,环境影响精度

4)价格高,还不能应用于复杂环境

磁测法
利用铁磁材料的磁致伸缩效应将应力的变化转化成可以测量的电量来测量应力
铁磁性材料
仪器轻便、操作简单、测量速度快,但此法只有用于铁磁性材料,且对材料结构等因素也较敏感
Stoney公式法
利用Stoney公式通过测量镀膜前后材料曲率半径的变化计算残余应力。
悬臂梁法:适合基片弹性好、厚度均匀、薄膜厚度与样品长度比值较小的器件;基片曲率法:主要应用于基底是圆形或长方形的材料
无损、可用于现场测量,精度差
剥层曲率半径法
对基片采用双层镀膜,通过测量曲率的半径变化,利用Stoney公式计算应力
硬质薄膜材料
工艺相对繁琐,不适合现场测试
盲孔法
通过钻孔释放样品应力,通过测量应变计上的应变利用弹性理论计算应力
各向同性的弹性材料,对一般金属材料要需要修正计算方法
操作繁琐、测量精度高,但对构件造成损伤,并且粘贴应变片需要一定的工艺要求
裂纹柔度法
释放被测物的残余应力,通过测定相应的应变、位移或转角等量值,计算分析残余应力
各种热(冷)轧板材表层与全厚应力分布
应变测量元件的灵敏度大,具有更好的敏感性和精确性,但测试误差有待研究
纳米压痕法
采用硬度试验方法、借鉴盲孔法的应变测量思想、根据应力场干涉理论而形成的一种全新的残余应力测量方法
薄膜材料
有极高的力分辨率和位移分辨率、能连续记录加载和卸载期间载荷位移的变化
溅射深度剖析法
应力致扩散前后的深度剖面发生变化
薄膜材料
需在薄膜内产生较大的应力,深度剖析有较高的深度分辨率,目前该方法还没有任何报道

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