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盘件轮廓法残余应力测试

一、引言

残余应力是材料在加工、制造或使用过程中，由于外部载荷、温度变化、相变等因素引起的内部应力。这些应力在材料内部保持平衡，但在某些条件下可能会释放，导致材料的变形、开裂或性能下降。盘件作为一种常见的机械零件，其残余应力的准确测量对于保证其使用性能和寿命具有重要意义。轮廓法作为一种非破坏性测试方法，因其操作简便、结果可靠而被广泛应用于残余应力测试中。本文将详细介绍盘件轮廓法残余应力测试的原理、步骤、数据处理及注意事项。

二、轮廓法残余应力测试原理

轮廓法是基于材料去除前后表面轮廓变化来计算残余应力的方法。其基本原理是：当材料表面存在残余应力时，去除一部分材料后，残余应力释放导致材料表面发生变形，通过测量这种变形可以推算出原始残余应力的大小和分布。

具体步骤如下：

1.表面预处理：对盘件表面进行抛光处理，确保表面光滑、平整，以便准确测量轮廓变化。

2.初始轮廓测量：使用高精度的测量仪器（如轮廓仪、干涉仪等）测量盘件表面的初始轮廓。

3.材料去除：通过机械加工或电解腐蚀等方法，去除盘件表面的一层材料。

4.残余轮廓测量：再次测量去除材料后的表面轮廓。

5.数据处理：对比初始轮廓和残余轮廓，计算轮廓变化量，利用弹性力学理论推算残余应力。

三、测试步骤

1.样品准备

选择合适的盘件样品，确保其表面无明显的缺陷和损伤。

对样品表面进行清洁，去除油污、灰尘等杂质。

使用抛光机对样品表面进行抛光处理，使其达到所需的表面粗糙度。

2.初始轮廓测量

将样品固定在高精度的测量平台上，确保其稳定不动。

使用轮廓仪或干涉仪等测量仪器，沿设定的测量路径扫描样品表面，获取初始轮廓数据。

保存初始轮廓数据，以便后续对比分析。

3.材料去除

根据测试需求，选择合适的材料去除方法。常见的去除方法包括机械加工（如车削、铣削）和电解腐蚀。

控制去除材料的厚度，确保去除量在合理的范围内，避免过度去除影响测试结果。

记录去除材料的厚度和去除过程中的相关参数。

4.残余轮廓测量

在材料去除后，再次将样品固定在测量平台上。

使用相同的测量仪器和测量路径，扫描去除材料后的表面，获取残余轮廓数据。

保存残余轮廓数据，准备进行数据处理。

5.数据处理

将初始轮廓数据和残余轮廓数据导入数据处理软件。

对比分析两组数据，计算轮廓变化量。

利用弹性力学理论，结合材料的弹性模量、泊松比等参数，推算残余应力的大小和分布。

对计算结果进行验证和分析，确保其准确性和可靠性。

四、数据处理方法

1.轮廓数据对比

将初始轮廓和残余轮廓数据进行对齐，确保两者在相同的坐标系下。

计算每个测量点的轮廓变化量，即初始轮廓与残余轮廓之间的差值。

2.应力计算

根据弹性力学理论，残余应力与轮廓变化量之间存在如下关系：

\[

\sigma=\frac{E\cdot\Deltah}{t\cdot(1\nu^2)}

\]

其中，\(\sigma\)为残余应力，\(E\)为材料的弹性模量，\(\Deltah\)为轮廓变化量，\(t\)为去除材料的厚度，\(\nu\)为材料的泊松比。

将测量得到的轮廓变化量、去除材料的厚度及材料的弹性模量和泊松比代入上述公式，计算残余应力。

3.结果验证

对计算得到的残余应力结果进行验证，确保其符合物理规律和实际情况。

可以通过与其他测试方法（如X射线衍射法、中子衍射法等）的结果进行对比，验证轮廓法测试结果的准确性。

五、注意事项

1.表面预处理

表面预处理是影响测试结果的重要因素，必须确保表面光滑、平整，避免因表面粗糙度引起的测量误差。

抛光过程中应控制抛光力度和抛光时间，避免过度抛光导致材料表面损伤。

2.测量精度

测量仪器的精度直接影响测试结果的准确性，应选择高精度的测量仪器。

测量过程中应保持环境稳定，避免温度、振动等因素对测量结果的影响。

3.材料去除

材料去除过程中应控制去除量，避免过度去除导致残余应力释放不完全或材料表面损伤。

选择合适的去除方法，确保去除过程均匀、稳定。

4.数据处理

数据处理过程中应选择合适的计算方法和软件，确保计算结果的准确性。

对计算结果进行多次验证，确保其符合物理规律和实际情况。

六、应用实例

1.航空航天领域

在航空航天领域，盘件广泛应用于发动机、传动系统等关键部件。残余应力的准确测量对于保证这些部件的使用性能和寿命具有重要意义。

通过轮廓法测试盘件的残余应力，可以及时