一种金属材料残余应力场的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种金属材料残余应力场的测量系统及方法，该方法为：利用电火花线切割对试件进行逐步剥层加工以释放材料内部残余应力，在此过程中通过摄影记录试件剥层前和每一次剥层后试件表面的散斑图

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料残余应力场的测量系统及方法


[0001]本专利技术属于光测力学
、
工程材料领域，具体涉及一种金属材料残余应力场的测量系统及方法
。

技术介绍

[0002]残余应力是指材料内保持稳定和平衡的应力，通常产生于制造
、
装配或热处理过程，是由施加的应力
、
温度变化或化学作用引起的不均匀弹性或弹塑性变形引起的
。
残余应力可能对材料产生不利影响，如残余应力可能降低刚度
、
尺寸稳定性
、
疲劳强度
、
应力腐蚀和抗蠕变开裂等
。
残余应力也可能是有利的，如适当的表面压应力可以增加材料的强度等
。
因此，残余应力测量对工程部件的使用安全和可靠性具有至关重要的意义，一直是科学和工程界广泛关注的重点领域
。
残余应力的测量可以追溯到
20
世纪
30
年代，目前已发展了多种方法，无损类方法包括
X
射线衍射
、
中子衍射
、
磁学
、
超声波和拉曼等方法，一般依赖较为昂贵和精密的设备，且各有局限性
。
另一类为机械释放方法如钻孔法
、
切片法
、
环芯法
、
剥层法，主要通过去除局部材料以释放残余应力，因释放的残余应力而引起的材料变形如位移或应变一般通过应变片
、
云纹干涉法<br/>、
全息干涉
、
激光散斑干涉法或数字图像相关方法来测量
。
这类种方法目前已经较为完善，其理论也很好理解，但一般属于点测量方法
。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种金属材料残余应力场的测量系统及方法，利用电火花线切割对试件进行逐步剥层加工以释放材料内部残余应力，在此过程中结合数字图像相关对每一次剥层后的试件进行位移场测量，最后利用剥层测量残余应力的理论公式计算得到试件的残余应力
。
本专利技术具有非接触式
、
易实现
、
全场性好等优点
。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种金属材料残余应力场的测量系统，包括：可精确调控进给量的用于材料剥层加工的电火花切割机床上的电极丝，用于降低加工温度的冷却液，用于固定表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件的夹具，对表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面散斑进行照明的冷光源，安装在三脚架上的用于拍摄试件表面散斑图片的
CCD
相机，以及计算机；所述的表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面散斑，为利用白色和黑色喷漆分别在表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面随机
、
均匀喷涂制作的薄层图案
,
，并在散斑表面再涂覆一层用于保护散斑免受冷却液影响的薄透明速干胶水；所述的
CCD
相机的光轴垂直于试件表面，并聚焦于散斑图
。
[0006]本专利技术还提供一种金属材料残余应力场的测量系统的测量方法，包括如下步骤：
[0007]步骤
1)
首先将表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件固定在电火花线切割机床的夹具上，打开冷光源，使表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面散斑被均匀照亮；通过调整三脚架的角度，使得
CCD
相机的镜头光轴垂直于表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面，并使表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面散
斑图在
CCD
相机中清晰成像；
[0008]步骤
2)
利用
CCD
相机拍摄并保存表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面散斑图；
[0009]步骤
3)
将电火花线切割机床上的电极丝与表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件的上表面对齐，设定电火花线切割机床上的电极丝的进给量，即为剥层厚度；利用电火花线切割机床上的电极丝对表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件进行切割剥层；
[0010]步骤
4)
重复步骤
2)
和
3)
，直到表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件剩下夹持的余量；
[0011]步骤
5)
以表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件剥层前的散斑图为参考图，以剥层后表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件表面的散斑图为变形图，利用数字图像相关对每一次剥层后的表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件进行位移场测量；
[0012]步骤
6)
将步骤
5)
所得到的所有位移场导入有限元模型中进行计算，得到表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件的残余应力场
。
[0013]有益效果：
[0014]本专利技术发展了一种金属材料残余应力场的测量系统及方法，该方法为：利用电火花线切割对试件进行逐步剥层加工以释放材料内部残余应力，在此过程中结合数字图像相关对每一次剥层后的试件进行位移场测量，最后利用剥层测量残余应力的理论公式计算得到试件的残余应力
。
与
X
射线衍射
、
中子衍射
、
磁学
、
超声波和拉曼等无损类方法相比，本方法具有设备简单
、
易实现等有点；与钻孔法
、
切片法
、
环芯法
、
剥层法等传统的机械释放方法相比，本方法具有易于操作
、
全场性好等优点
。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的金属材料残余应力场测量系统的原理结构示意图；
[0016]图2为剥层前后所拍摄的试件表面散斑图；
[0017]图3为本专利技术的金属材料残余应力场测量方法的流程图
。
[0018]图中：1‑
表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件；2‑
电火花切割机床上的电极丝；3‑
被线切割逐层剥下的材料；4‑
冷却液；5‑
夹具；6‑
冷光源；7‑
CCD
相机；8‑
三脚架；9‑
计算机
。
具体实施方式
[0019]以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明，但不作为对本专利技术的限定
。
[0020]如图1所示，本专利技术的金属材料残余应力场的测量系统包括：可精确调控进给量的用于材料剥层加工的电火花切割机床上的电极丝2，箭头表示电极丝运动和切割方向，用于降低加工温度的冷却液4，用于固定试件的夹具5，对试件表面散斑进行照明的冷光源6，安装在三脚架8上的用于拍摄试件表面散斑图片的
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属材料残余应力场的测量系统，其特征在于，包括：可精确调控进给量的用于材料剥层加工的电火花切割机床上的电极丝
(2)
，用于降低加工温度的冷却液
(4)
，用于固定表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
的夹具
(5)
，对表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
表面散斑进行照明的冷光源
(6)
，安装在三脚架
(8)
上的用于拍摄试件表面散斑图片的
CCD
相机
(7)
，以及计算机
(9)
；所述的表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
表面散斑，为利用白色和黑色喷漆分别在表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
表面随机
、
均匀喷涂制作的薄层图案，并在散斑表面再涂覆一层用于保护散斑免受冷却液
(4)
影响的薄透明速干胶水；所述的
CCD
相机
(7)
的光轴垂直于试件表面，并聚焦于散斑图
。2.
采用如权利要求1所述一种金属材料残余应力场的测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
1)
首先将表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
固定在电火花线切割机床的夹具
(5)
上，打开冷光源
(6)
，使表面制备有散斑和透明保护膜的残余应力试件
(1)
表面散斑被均匀照亮；通过调整三脚架
(8)
的角度，使得
CCD
相机
(7)

【专利技术属性】
技术研发人员：黄先富，侯星宇，袁泉子，赵亚溥，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：