盲孔法测量残余应力的原理

1、前言：
    通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。
    按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：
     *Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的*Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。
     *Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。
     *Ⅲ类内应力是存在于*小范围（几个原子间距）的内应力。
     在工程上通常所说的残余应力就是*Ⅰ类内应力。到目前为止，*Ⅰ类内应力的测量技术*为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得*为透彻。
     除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是*Ⅰ类内应力。
2、钻盲孔法测量残余应力的原理
      目前在焊接件和铸件上应用的较多的残余应力测量方法是盲孔法，盲孔法就是在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。钻孔的直径和深度都不大，是一种微创检测方法，不会影响被测构件的正常使用。并且这种方法具有较高的精度，因此它已成为应用比较广泛的方法。
     当残余应力沿厚度方向的分布比较均匀时，可采用一次钻孔法测量残余应力的量值。
在有残余应力的焊接钢板上钻一小孔，因小孔附近的残余应力被释放，孔区附近的残余应力场发生变化。只要测出该局部区域的应变变化量，即可计算出板上钻孔处释放前的残余应力值σ1 、σ2：

TJ120-1.5-φ1.5应变花在普通钢材上的释放系数，为：

A=-0.0725±10%（2 倍标准差）

B=-0.15140±6%（2 倍标准差）

     需要说明的是，释放系数A、B与应变花的几何尺寸、孔径、孔深及材料的弹性模量E及泊松比µ有关，应用时须对每种被测材料进行标定，A、B系数不能通用
     被测点钻一小孔只能使残余应力局部释放，因此应变计所测出的释放应变值很小，须采用高精度的应变计。为了不断提高测量精度，还须十分注意产生误差的各种因素，其中*主要的是钻孔设备的精度和钻孔技术，还有应变测试误差。一般来说钻孔深度 h≥2a 即可。
3、残余应力检测仪器
       残余应力检测仪器的实质是电阻应变仪。残余应力检测仪是利用应变片直接测量残余应力的专用仪器，在科研和工业生产中常常需要研究机械设备构件或组件应力的状况，测量构件形变时应变力，如高压容器（高压气瓶、高压锅炉），生产过程中须采用应变测量方法检测耐压和变形时压力；火炮生产需了解火炮发射时炮管形变，飞机导弹研制时要在特殊的“风洞”实验场中模拟高空状态下飞行时机身、机翼等各部件的形变情况；汽车制造需测试汽车底盘承压时的形变。
应变仪原理框图

        残余应力检测仪是三路应变测量电桥组成的，内置高速CPU,对测量结果进行实时计算，能根据不同材料输入不同常数，直接计算和显示残余应力大小和角度。测量的准确性和稳定性取决于检测仪的电桥的精度，放大器的温飘，滤波器的精度。
4、应变片温度误差及补偿
      应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。

       应变片温度误差来源有两个：应变片本身电阻温度系数αt影响和试件材料的线膨胀系数βg影响。温度补偿方法:电桥线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿。通常采用线路补偿:在被测上安装一个应变片，在另一个与被测试件上安装一个补偿片，并完全处于相同的温度场，测量时位于相邻的电桥臂上，温度变化时ΔR1与ΔRB相等变化，使电桥输出U0与温度无关。
5、钻孔设备及钻孔要求
    （1）.钻孔设备的结构应该简单，便于携带，易于固定在构件上，同时要求对中方便，钻孔深度易于控制，并能适应在各种曲面上工作。图3.10为小孔钻的结构图，这种钻具能较好地实现上述要求，借助4个可调节X、Y方向的位置和上、下位置，以保持钻孔垂直于工件表面，用万向节与可调速手电钻连接施行钻孔。

    （2）.钻孔的技术要求：
       ①被测表面的处理要符合应变测量的技术要求，直角应变片应用502胶水准确地粘贴在测点位置上，并用胶带覆盖好丝栅，防止铁屑破坏丝栅。
      ②钻孔时要确定钻杆与测量表面垂直，钻孔*心偏差应控制在±0.025 mm以内。
      ③钻孔时要稳，机座不能抖动。钻孔速度要低，钻孔速度快易导致应变片的温度漂移，孔周切削应变*大使测量不稳定。为消除切削应变的影响，可先采用小钻头钻孔然后再用铣刀洗孔。

如果无法使用小孔钻，可以使用喷沙打孔法打一盲孔，喷沙打孔的方法就是利用压缩空气带动Al2O3或SiO2粉末，通过回转的喷嘴对准应变花*心打孔标志，喷吹表面而得一盲孔。这种方法实际上是一种磨削过程，其产生的热量由气流冷却，加之切削量很小，因此打孔时引起的附加应力较小，喷沙打孔法的测量精度较高。