环芯技术及残余应力测量原理与应用

环芯法是一种部分破坏法，其操作是在工件上加工出一个环形槽，将其中的环芯部分从工件本体分离开来，这个环形槽将工件对环芯周围的约束去掉，应力随之释放出来。在环芯槽中心部位贴上专用应变花，以测量释放出来的应变［15］。

根据弹性理论，环芯边界残余应力释放时引起的释放应变形式为［1］

式中，R1、R2为工件内的两个主应力；α为应变计参考轴与R1方向的夹角；E为被测材料的弹性模量；A、B为应力释放系数。

采用如图3-7所示的三轴应变计，有

图3-7　环芯法测残余应力原理图［1］

解出此方程组，则得残余应力计算公式为

经过多年的工作，我国研究人员对环芯法测残余应力进行了深入的研究，制定了环芯法测残余应力的国家标准。一般规定环芯法铣制环槽内径为15 mm，外径为20 mm。采用环芯法测量，可以测量表面以下0～8 mm的残余应力沿层深的变化情况。在实际测量时，通过逐层铣去有限深度增量ΔZ的方法，并且假定ΔZ段上的应力是恒定不变的。相应地，残余应力计算公式由式（3-27）变为(www.xing528.com)

式中，ΔA、ΔB为ΔZ段上的释放系数；Δe1、Δe2、Δe3为ΔZ段上应力释放引起的应变计三个敏感栅的应变变化。

释放系数A和B为无量纲值。它们仅与环芯直径、环槽深度和应变计尺寸有关。与盲孔法类似，环芯法释放系数可用实验法进行标定，在单向均匀拉伸应力场R1＝R、R2＝0中测量求得释放系数为

在弹性范围内，当环形槽的几何形状确定时，应变释放系数仅与材料的特性有关，与外加应力无关。

测量残余应力的环芯装置基本上由基础部分、驱动部分及借助于合适的辅具固定在任何构件上的夹紧装置组成。测量时将基础部分放在待测工件表面并夹紧，然后划出标记。应变花可以通过测量装置的基础部分很容易贴在待测部位，贴应变花的技术规范与在室温下常规的应变测量技术一样。应变花贴完后将驱动部分放在支架上，用合适的线将应变计接至测量用的应变仪上。特殊设计制造的应变计的引出线焊接在应变计表面上，使引出线向上。引出线可以通过环芯刀（即一种实验仪器）的中间部分从测量装置接至应变仪上。在每次测量以前要将测量装置调整好并夹紧牢固。将应变仪接好线并调整零点后才能开始加工环芯槽，环芯槽的深度可以由测量装置上的表盘读出。应变计在测量时接成惠斯通电桥式测量电路，首先用补偿片组成半桥，然后与应变仪内的半桥组成一个全桥电路。为了避免测量导线温度的影响，建议采用三线制接法。

对那些不能用机械方法加工环芯槽的特硬和特坚韧材料上进行的测量，需要用特殊的装置来进行。可以用喷砂法加工出与用环芯法一样的环芯形状，但不能精确控制精度。在这种材料上测量残余应力的另一种加工环形槽的方法是电火花加工法。用这种方法时，要想得到一个环芯槽必须要有一个铜制的电极，且被测构件是导体。电极与工件之间在电荷的腐蚀作用下将要加工部分的材料熔融并被去除。一般减少两个电极的间隙可增加加工速度，同时需要对电极和工件进行冷却。由于用凡士林油和水冷却，所以测量用的应变计绝缘是一个很大的问题。

在进行高精度测量时应该用小的测量增量，且用计算机仔细计算。用该种方法测量时被破坏部分一般是在其他机械性能试件取样部分，在最后的精加工时将该部分加工掉。这种方法可用于对工件的热处理工艺过程进行优化选择。