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殘余應(yīng)力測量——輪廓法的四大優(yōu)勢
什么是殘余應(yīng)力？
殘余應(yīng)力是指在消除外力或不均勻的溫度場等作用后，仍保留在物體內(nèi)部自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。
機(jī)械加工、熱加工和化學(xué)處理等工藝中的不均勻變形、塑性形變或者相變都可能引起殘余應(yīng)力。有害的殘余應(yīng)力會降低材料的疲勞壽命和強(qiáng)度，增加裂紋擴(kuò)展和斷裂風(fēng)險，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。
什么是輪廓法？
輪廓法（Contour Method）是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的研究工程師Prime于2000年在第六屆國際殘余應(yīng)力會議上首次提出。該方法通過慢走絲等手段切割樣品，測量由切割所引起的應(yīng)力釋放所導(dǎo)致的輪廓變形，從而計算得出切割前測試面的殘余應(yīng)力。
輪廓法作為一種理論簡單、測量精度高的殘余應(yīng)力表征手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、能源化工等領(lǐng)域。輪廓法測量對樣品材料組織結(jié)構(gòu)不敏感，且不受樣品形狀和尺寸限制，測量深度一般為1mm~1m。
如下圖1所示，目前研究將輪廓法與中子衍射、X射線衍射、裂紋柔度以及鉆孔法等應(yīng)力測量手段進(jìn)行了對比，證明了其有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。
▲圖1.輪廓法與中子衍射、X射線衍射以及裂紋柔度法的結(jié)果對比
輪廓法的優(yōu)勢
輪廓法作為一種優(yōu)秀的殘余應(yīng)力表征手段，具有以下優(yōu)點：① 全場應(yīng)力分布
如下圖2所示，為X80鋼焊接管道爆炸處理前后應(yīng)力對比，該案例使用輪廓法對帶有焊焊縫位置進(jìn)行測試，提供高分辨率的二維平面內(nèi)殘余應(yīng)力的全場分布。相比于點測量方法（如X射線衍射或中子衍射），它可以直觀展示整個測量平面的應(yīng)力分布，便于研究應(yīng)力集中區(qū)域或應(yīng)力梯度變化。
▲圖2.X80焊接管爆炸處理前后應(yīng)力對比
② 適用于大尺寸和復(fù)雜幾何形狀
輪廓法對于大型工件和復(fù)雜幾何形狀非常有效，特別是傳統(tǒng)方法難以進(jìn)行殘余應(yīng)力測量的場合。即使是大型結(jié)構(gòu)件或非對稱形狀的工件，也可以通過選擇合適的切割面來進(jìn)行應(yīng)力分析。如下圖3所示，為輪廓法測量定向凝固鎳基高溫合金單晶葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力分布，該樣品由于形狀較為復(fù)雜不適合中子衍射、XRD以及鉆孔法等測量方法。
▲圖3.高溫合金葉片殘余應(yīng)力測試
③ 材料限制較少
輪廓法幾乎適用于任何固體材料，包括金屬、合金、陶瓷和復(fù)合材料。由于該方法僅依賴于機(jī)械切割與形變測量，不會受到材料類型的限制，因此適用范圍相當(dāng)廣泛。
▲圖4.輪廓法實驗流程
④ 結(jié)果可與有限元分析結(jié)合
輪廓法的實驗數(shù)據(jù)可以與有限元模擬結(jié)合，通過反向有限元分析進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)力場的計算與驗證。這種結(jié)合能提高應(yīng)力結(jié)果的精度，并幫助更好地理解殘余應(yīng)力的來源與分布規(guī)律。
▲圖5.輪廓法測量與仿真結(jié)果對比
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