残余应力测量——中心孔钻孔技术

中心孔钻孔 (CHD) 残余应力测量技术是一种半侵入式机械应力消除 (MSR) 技术。

CHD 技术是通过测量零件中浅孔增量加工过程中残余应力释放引起的表面应变来执行的。原理是应力材料的去除导致周围材料重新调整其应力状态以重新达到残余应力平衡。测量的表面应变允许对先前存在的残余应力进行反向计算。反向计算过程的公式和计算是从实验和有限元分析的组合中发展而来的。 

ICHD技术示意图

可以分析从增量应变测量计算的残余应力，以提供在钻孔深度（即 CHD）上平均的单组双轴结果或双轴残余应力随钻孔深度的变化（即增量中心孔钻孔或 ICHD）。最广泛使用的分析方法是幂级数和积分方法。

表面应变通常使用同心连接在钻孔周围的特殊应变仪花环 (SGR) 来测量。在花环内放置三个应变仪，以 45o 的相对角间距围绕钻孔轴线径向对齐。使用三个应变仪花环允许测量双轴残余应力状态（即 σxx、σyy 和 σxy）。标准尺寸的应变片花环适用于大约 1mm、2mm 和 4mm 的钻孔直径，分别产生深度达 0.5mm、1.0mm 和 2.0mm 的双轴残余应力结果。

中心孔钻孔技术的程序：

基本实验程序如下：

1. 在测量位置准备（例如平滑和脱脂）组件表面。
2. 将 CHD 应变仪花环粘到组件上并连接导线。
3. 将 CHD 机器与 SGR 对齐。
4. 以一系列增量钻中心孔。
5. 测量钻孔深度并记录每个钻孔增量的应变仪读数。
6. 分析深度和应变仪数据以计算残余应力分布。

该方法确实受到应变敏感性有限以及与孔尺寸（例如直径、同心度、轮廓、深度）、表面粗糙度、表面平整度和试样制备有关的潜在误差和不确定性的影响。然而，ICHD 技术是最广泛使用的技术，因为它便宜、快速且广泛可用，无论是在实验室还是在现场。

ICHD技术的有限元模拟（剖面图）

中心孔钻孔技术的优点：

• 半破坏性——能够在部件寿命的许多不同阶段重复测量残余应力；
• 实验室或“现场”测量；
• 测量的双轴残余应力分布（例如 σxx、σyy 和 τxy），包括应力梯度；
• 适用于多种材料，包括金属和非金属；
• 对成分材料的晶粒结构/质地不敏感；
• 公称精度：10MPa——铝，30MPa——钢，15MPa——钛；
• 该过程非常快速且易于应用，因此相对便宜；
• 非常适合测量表面处理引起的近表面残余应力。

中心孔钻孔技术的缺点：

• 半破坏性——可能需要重新填充产生的孔或提供模型；
• 使用标准 SGR 的最大测量深度为 2mm；
• σzz 不可测量；
• 由于塑性松弛，测量残余应力大于约 80% 屈服时的不确定性增加；
• 安装 SGR 需要适度平坦的表面，因此在复杂形状部件上的应用受到限制；
• 使用的应变仪易受噪音影响，需要进行表面处理；
• 严重依赖良好的应变响应曲线；
• 由于应力在深度处被释放，但在表面测量的应变不准确；
• 对 SGR 和钻孔之间的非同心度非常敏感。

参考资料和延伸阅读：

7. ASTM-E837-13a，“用钻孔应变计法测定残余应力的标准测试方法”，ASTM International，2008。
8. PV Grant、JD Lord 和 PS Whitehead，“通过增量钻孔技术测量残余应力”，NPL 测量良好实践指南。
9. GS Schajer，“使用钻孔法测量非均匀残余应力。第 1 部分 - 应力计算程序”，工程材料与技术杂志，第一卷。110，没有。1，第 338-343 页，1988 年。
10. GS Schajer，“使用钻孔法测量非均匀残余应力。第 2 部分 - 应力计算程序”，工程材料与技术杂志，第一卷。110，没有。1，第 344-349 页，1988 年。
11. GS Schajer 和 E. Altus，“增量钻孔残余应力测量的应力计算误差分析”，工程材料与技术杂志，卷。118，没有。1，第 120-126 页，1996 年。
12. B. Zuccarello，“增量钻孔法评估残余应力的最佳计算步骤”，实验力学，卷。39，没有。02，第 117-124 页，1999 年。