CN101013105A - 一种测量材料残余应力变化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量材料残余应力变化的装置及方法，特征在于：通过磁致伸缩测量铁磁材料的残余应力变化。包括测量***和数据处理方法两部分。测量***包括产生磁场的设备，测量和记录磁致伸缩的设备两部分组成。测量和记录磁致伸缩的设备包括电阻应变片，动态应变仪和计算机采集***。数据处理方法是将初始磁致伸缩平均值和终了磁致伸缩平均值用一个公式处理，得到残余应力变化情况。解决了现有技术中降低、控制及测量残余应力的难题。本发明具有快捷、高效、不引起材料变形等特点。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力的测量领域，特别涉及通过测量磁致伸缩推测残余应力变化的装置及方法。
背景技术
残余应力广泛的存在于材料的制备、加工及使用的各个阶段，通常情况下会降低材料的服役性能和使用寿命，因此，如何降低和控制残余应力一直是材料科学与工程领域的重大课题。近年来通过磁场作用降低结构的残余应力有些报道。
专利CN1737519A是利用残余应力与磁导率的关系测量残余应力，利用的是材料的磁性能。由于磁场作用难以直接观测，应力测量也是检测领域的难题，如何测量出磁场作用下残余应力的变化成为影响磁处理降低残余应力方法的重大课题。
目前见诸报道的残余应力测量方法尚没有通过磁致伸缩系数的变化进行的，现有通过磁场降低残余应力的技术属于经验性的，还没有通过某参数的测量直接确定所需磁场参数的方法。而本发明正是通过新的测量方法，提出一种利用力学性能，通过测量磁致伸缩推测残余应力的变化的方法直接显示磁场对残余应力的作用规律，并确定出合理的磁场参数。
发明内容
为解决现有技术中降低、控制及测量残余应力的难题，本发明提出一种高效精准的无损测量装置及方法，具体是通过测量磁致伸缩推测残余应力的变化的装置及方法。
本发明是以如下技术方案实现的：
利用磁致伸缩测量残余应力的变化装置包括测量***和数据处理***两部分。
测量***包括产生磁场的设备，测量和记录磁致伸缩的设备两部分组成。
产生磁场的设备包括电源、线圈和铁芯。其间的关系是电源产生的电流流过线圈，线圈缠绕在铁芯上，在铁芯的气隙处产生测量所需的磁场。
测量和记录磁致伸缩的设备包括电阻应变片，动态应变仪和计算机采集***。其间的关系是在被测量的试件上连接电阻应变片，应变片发生的变化通过动态应变仪测量，测量的结果通过计算机采集***记录下来。
数据处理方法是将初始磁致伸缩平均值和终了磁致伸缩平均值用一个公式处理，得到残余应力变化情况。
整个过程如下：
首先，通过本发明建立的测量***测出工件上待测应力位置的磁致伸缩平均值作为初始值。之后进行正常的工序加工，再次进行磁致伸缩的测量，其平均值作为终了值。利用初始值和终了值可以得到加工工序引起的残余应力的变化。如果工件长/宽/高尺寸超过测量***中气隙尺寸，可以在工件上待测应力处截取一块可放入气隙中的材料，以被截下材料的初始和终了磁致伸缩平均值推测工件上相应位置处残余应力的变化。
其中，可放入气隙中的材料优选将需要测量的工件上截取长度范围为25mm至75mm，宽度范围为8mm至30mm，高度范围为8mm至30mm的长方体样条，或者截取长度范围25mm至75mm，直径8mm至30mm的样棒。
测量磁致伸缩的过程如下：
在试样的中间沿长度方向粘贴可以在市场上购得的通用DY-120型电阻应变片一片，将电阻应变片的连线接入由江苏东华测试公司生产的YE3815A型动态应变仪，动态应变仪的输出线通过USB接口连入计算机，操作动态应变仪的软件***由江苏东华测试公司提供。将带有电阻应变片的试样沿长度方向放入铁芯中间的气隙中，两个端面与铁芯接触好。励磁电源由中科院电工所生产，型号为RJ-120A，输出峰值电流一般为120A，频率5Hz，占空比为50％的脉冲直流电流，此电流流入匝数150匝的两个串联励磁线圈。
工作时，先开启励磁电源，再开启动态应变仪，最后开启计算机。一般预热3小时左右后，将动态应变仪调零，启动计算机的采集程序，最后启动励磁电源输出脉冲电流。输出脉冲电流的时间最好为20秒，停止励磁电源的输出，停止采集程序，完成磁致伸缩测量。
计算磁致伸缩的平均值如下：
在脉冲励磁电流的作用下磁致伸缩的幅度会有如附图2所示的变化。
在图2中，λ1代表第一个脉冲电流作用下磁致伸缩能达到的最大值，λ2代表第二个脉冲电流作用下磁致伸缩能达到的最大值，λn代表最后一个脉冲电流作用下磁致伸缩能达到的最大值。
值
(λ1+λ2+……λn)/n (公式1)
为磁致伸缩的平均值。
用λshi和λzhong分别表示试样初始的磁致伸缩平均值和经过工序加工后的磁致伸缩平均值。
(λshi-λzhong)/λshi (公式2)
为在这种脉冲励磁电流作用下的残余应力的相对变化。如果(λshi-λzhong)/λshi小于0，说明加工工序使得残余应力降低；如果(λshi-λzhong)/λshi等于0，说明加工工序不引起残余应力的变化；如果(λshi-λzhong)/λshi大于0，说明加工工序使得残余应力升高。
本发明新的测量方法，通过测量磁致伸缩推测残余应力的变化，能直接显示磁场对残余应力的作用规律，并确定出合理的磁场参数。解决了现有技术中降低、控制及测量残余应力的难题。本发明具有快捷、高效、不引起材料变形等特点。
附图说明
图1为测量***简图
其中，1为电源，2为铁芯，3为线圈，4为动态应变仪，5为计算机，6为电阻应变片，7为连接电源和线圈的导线，8为连接电阻应变片和动态应变仪的导线，9为连接计算机和动态应变仪的导线。
图2为脉冲电流作用下磁致伸缩幅度变化的示意图
其中，图1为摘要附图。
具体实施方式
实施例1 600℃高温退火对45#钢残余应力的影响
取直径8mm的45#钢棒长25mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为15με。此试样经600℃保温1小时退火，冷却到室温后，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为28με，利用公式2计算此退火过程引起的残余应力变化为(15-28)/15＝-0.87，说明经过此退火过程可以使残余应力降低87％。
实施例2 400℃中温退火对45#钢残余应力的影响
取直径20mm的45#钢棒长50mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为15με。此试样经400℃保温1小时退火，冷却到室温后，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为21με，利用公式2计算此退火过程引起的残余应力变化为(15-21)/15＝-0.40，说明经过此退火过程可以使残余应力降低40％。
实施例3 200℃低温退火对45#钢残余应力的影响
取直径30mm的45#钢棒长75mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为15με。此试样经200℃保温1小时退火，冷却到室温后，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为18με，利用公式2计算此退火过程引起的残余应力变化为(15-18)/15＝-0.20，说明经过此退火过程可以使残余应力降低20％。
实施例4 -196℃深冷处理对YG6硬质合金残余应力的影响
取直径4mm的YG6硬质合金棒长40mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为25με。此试样经-196℃保温1小时，加热到室温后，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为22με，利用公式2计算此处理过程引起的残余应力变化为(25-22)/25＝0.12，说明经过此深冷处理可以使残余应力升高12％。
实施例10 时效对灰铁HT150残余应力的影响
取直径10mm的HT150灰铁棒长60mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为12με。此试样在室温环境下放置10天，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为12με，利用公式2计算此过程引起的残余应力变化为(12-12)/12＝0，说明经过此时效处理不引起残余应力的变化。
实施例6 90天时效对灰铁HT150残余应力的影响
取直径10mm的HT150灰铁棒长60mm，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为12με。此试样在室温环境下放置90天，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为14με，利用公式2计算此过程引起的残余应力变化为(12-14)/12＝-0.17，说明经过此时效处理可使残余应力下降17％。
实施例7 拉伸对45#钢残余应力的影响
取长25mm，宽10mm，高10mm的45#钢长方体样条，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为15με。此试样在室温环境用2KN的力拉伸，用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为17με，利用公式2计算此拉伸过程引起的残余应力变化为(15-17)/15＝-0.13，说明经过此拉伸处理可使残余应力下降13％。
实施例8 表面渗碳对20#钢残余应力的影响
取长50mm，宽20mm，高20mm的25#钢长方体样条，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为18με。此试样放置在950℃处理炉中2小时进行表面渗碳处理，冷却到室温后用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为15με，利用公式2计算此渗碳过程引起的残余应力变化为(18-15)/18＝0.17，说明经过此渗碳处理可使残余应力升高17％。
实施例9 淬火对45#钢残余应力的影响
取长75mm，宽30mm，高30mm的45#钢长方体样条，在试样的中间沿长度方向粘贴一片DY-120型电阻应变片，按照前面所写的测量方法连接动态应变仪，计算机和励磁电源，放入铁芯的气隙中，经预热后测量初始磁致伸缩的平均值为15με。此试样加热到920℃后放入水中淬火处理，冷却到室温后用相同的方法再次测量得到磁致伸缩平均值为11με，利用公式2计算此淬火过程引起的残余应力变化为(15-11)/15＝0.27，说明经过此淬火处理可使残余应力升高27％。
Claims (10)
1.一种测量材料残余应力变化的装置，包括：
测量***和数据处理***；
测量***包括产生磁场的设备，测量和记录磁致伸缩的设备。
2.根据权利要求1的测量材料残余应力变化的装置，其中，产生磁场的设备包括电源、线圈和铁芯，其间的关系是电源产生的电流流过线圈，线圈缠绕在铁芯上，在铁芯的气隙处产生测量所需的磁场。
3.根据权利要求1或2的测量材料残余应力变化的装置，其中，测量和记录磁致伸缩的设备包括电阻应变片，动态应变仪和计算机采集***，其间的关系是在被测量的试件上连接电阻应变片，应变片发生的变化通过动态应变仪测量，测量的结果通过计算机采集***记录下来。
4.一种采用权利要求1的装置测量材料残余应力变化的方法，其特征在于：通过磁致伸缩的变化测量。
5.根据权利要求4测量材料残余应力变化的方法，其步骤包括：首先，在试样的中间沿长度方向粘贴电阻应变片，将电阻应变片的连线接入动态应变仪，动态应变仪的输出线通过USB接口连入计算机，将带有电阻应变片的试样沿长度方向放入铁芯中间的气隙中，两个端面与铁芯接触好，开启励磁电源输出脉冲直流电流，此电流流入励磁线圈，然后停止励磁电源的输出，停止采集程序，完成磁致伸缩测量；通过测量***测出工件上待测应力位置的磁致伸缩平均值作为初始值，之后进行正常的工序加工，再次进行磁致伸缩的测量，其平均值作为终了值，利用初始值和终了值可以得到加工工序引起的残余应力的变化。
6.根据权利要求4或5测量材料残余应力变化的方法，其中，数据处理***的数据处理方法是将初始磁致伸缩平均值和终了磁致伸缩平均值用公式处理，
值(λ1+λ2+……λn)/n (公式1)为磁致伸缩的平均值；
用λshi和λzhong分别表示试样初始的磁致伸缩平均值和经过工序加工后的磁致伸缩平均值；
(λshi-λzhong)/λshi (公式2)
得到在脉冲励磁电流作用下的残余应力的相对变化。
7.根据权利要求4或5的测量材料残余应力变化的方法，当工件长/宽/高尺寸超过测量***中气隙尺寸时，在工件上待测应力处截取一块可放入气隙中的材料，截取长度范围为25mm至75mm，宽度范围为8mm至30mm，高度范围为8mm至30mm的长方体样条，或者截取长度范围25mm至75mm，直径8mm至30mm的样棒。
8.根据权利要求4或5的测量材料残余应力变化的方法，其中，脉冲直流电流的峰值电流为120A，频率为5Hz，占空比为50％。
9.根据权利要求4或5的测量材料残余应力变化的方法，其中，励磁线圈为匝数150匝的两个串联线圈。
10.根据权利要求4或5的测量材料残余应力变化的方法，其中，输出脉冲电流的时间为20秒。
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