圓鋸片的壓痕應(yīng)變法殘余應(yīng)力測試與分析*

王韻璐 曹 瑜 李敏敏 王 正

圓鋸片廣泛用于木材、石材、金屬、混凝土等多種材料的切割[1]。圓鋸片構(gòu)件在機加工、熱處理、焊接、整平和適張作業(yè)加工過程中都會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力的存在會嚴重影響鋸片的正常使用。圓鋸片構(gòu)件中的殘余應(yīng)力是指在沒有對其施加外力時，圓鋸片內(nèi)部存在保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，亦是圓鋸片構(gòu)件的彈性和塑性各向異性的反映。圓鋸片中的殘余應(yīng)力是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種，對結(jié)構(gòu)可靠性有很大作用[2]，特別是對其結(jié)構(gòu)強度、疲勞壽命、尺寸穩(wěn)定性和脆性斷裂的影響較大。因此，做好降低或消除圓鋸片構(gòu)件的殘余應(yīng)力工作尤為重要。

圓鋸片等金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力可通過測量進行很好的定量研究，常用方法為壓痕應(yīng)變法、X射線衍射法、盲孔法[3]和激光全息小孔法。其中，盲孔法和激光全息小孔法原理及其測量儀器均很成熟，適宜實驗室應(yīng)用；X射線衍射法[4,5]和壓痕法更偏向于工程實際應(yīng)用。如張占寬、習(xí)寶田等人用國產(chǎn)X-350A型X射線應(yīng)力測試儀對圓鋸片初始應(yīng)力和多點加壓適張后的殘余應(yīng)力進行了測量，確定了其殘余應(yīng)力分布規(guī)律[1,6,7]。壓痕應(yīng)變法是利用測量球形壓頭產(chǎn)生的壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變變化來計算殘余應(yīng)力的方法。當球形壓頭壓入圓鋸片測點時，測點上的應(yīng)變花產(chǎn)生應(yīng)變變形增量，即可獲知壓頭壓入測點后壓痕周圍彈性區(qū)的應(yīng)變增量，就能得到構(gòu)件表面的原始殘余應(yīng)力[8]。壓痕應(yīng)變法作為一種新型殘余應(yīng)力檢測方法，出現(xiàn)時間較晚。上世紀70年代，Underwood等人開始研究靜載壓痕周圍的唯一場規(guī)律，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對壓痕周圍應(yīng)變的影響規(guī)律性[9]。上世紀90年代以來，中科院金屬研究所和上海交通大學(xué)等開始對動載荷靜載作用下壓痕周圍應(yīng)力應(yīng)變場的變化規(guī)律進行理論與試驗研究。他們通過采用有限元模擬和試驗標定方法，初步探討壓痕周圍塑性區(qū)的大小及其隨初始殘余應(yīng)力的變化規(guī)律[10-13]。目前，該方法作為非破壞性的靜態(tài)應(yīng)變－應(yīng)力測量和分析的一種重要工具，在材料研究、機械制造、采礦冶金、水利工程、鐵道運輸、化工設(shè)備、船舶制造、航空工業(yè)、電力建設(shè)等行業(yè)應(yīng)用廣泛。如在上海寶冶工程技術(shù)有限公司、上海寶鋼汽車產(chǎn)品中心、武漢鋼鐵（集團）公司技術(shù)中心、西安交通大學(xué)材料學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、水利部金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心和清華大學(xué)力學(xué)研究所等國內(nèi)諸多單位成效明顯。工程應(yīng)用結(jié)果表明，壓痕應(yīng)變法不僅測試設(shè)備相對簡單，測試結(jié)果準確可靠，而且被測件表面無明顯損傷，屬于無損應(yīng)力檢測方法[14]。特別對金屬表面應(yīng)力梯度大的殘余應(yīng)力分布測量更有獨到之處。

對此，筆者采用壓痕應(yīng)變法[15,16]，實測木工圓鋸片[17,18]試件殘余應(yīng)力值，并對各測點結(jié)果進行徑向和切向殘余應(yīng)力分布分析，在工程領(lǐng)域具有一定實用價值。

1 試驗理論闡述

壓痕應(yīng)變法是一種新型殘余應(yīng)力測試方法，它是利用球型壓頭壓入材料表面，通過測量壓痕周圍的唯一變化情況來計算殘余應(yīng)力[8]。

壓痕應(yīng)變法是采用電阻應(yīng)變片作為測量用敏感元件，在應(yīng)變花中心部位采用沖擊加載制造壓痕以代替鉆孔，通過應(yīng)變儀記錄壓痕區(qū)外彈性區(qū)應(yīng)變增量的變化，從而獲得對應(yīng)于殘余應(yīng)力大小的真實彈性應(yīng)變，求出殘余應(yīng)力值。該試驗因考慮應(yīng)力超過圓鋸片構(gòu)件屈服點50%且未知主應(yīng)力方向等情況，擬采用三向應(yīng)變花進行測量。同時，為得到對稱的附加應(yīng)力場，采用壓頭直徑1.58 mm的硬質(zhì)合金鋼球在鋸身測點上制造深度約0.15～0.2 mm的壓痕，即將帶有鋼球的一端垂直置于欲制其壓痕的位置（應(yīng)變花軸線中心），以一定動量沖擊支撐桿的另一端。值得一提的是，壓痕誘導(dǎo)的疊加應(yīng)變增量，則由事先粘貼的應(yīng)變花測取。并且在相同殘余應(yīng)力場中，主應(yīng)力方向上的球形壓痕直徑與距壓痕中心固定距離處的應(yīng)變增量成正比。

2 圓鋸片試件與儀器

2.1 木工圓鋸片

該試驗選用編號為Y2和Y5的兩塊同廠家同批號的木工圓鋸片，見圖1。其主要參數(shù)為：外徑300 mm、齒寬3.2 mm、齒厚2.2 mm、內(nèi)徑30 mm、齒數(shù)96、最高轉(zhuǎn)速6 800 r/min，且齒形及其尺寸均相同，鋼號為日本產(chǎn)SK5。

圖1 兩種不同鋸身減振槽的木工圓鋸片試件Fig.1 Two carpentry saw blade specimen of different saw body damping grooves

2.2 KJS-3型壓痕法應(yīng)力測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)由壓痕制造系統(tǒng)和應(yīng)力測試系統(tǒng)兩部分組成，由中國科學(xué)院金屬研究所和南京賀普科技有限公司聯(lián)合制造。其最大測量誤差＜15～20 MPa；應(yīng)變測量精度為1；壓痕定點打擊對中精度為0.05 mm；壓痕尺寸測量精度為0.01 mm；應(yīng)力計算顯示精度為1 MPa；應(yīng)力測量誤差≤20 MPa；壓頭直徑為1.58 mm；球冠壓痕直徑為1.0～1.2 mm、壓痕深度為0.15～0.2 mm。

1）壓痕制造系統(tǒng)。

壓痕制造系統(tǒng)包括壓痕打擊裝置、永磁式固定底座、對中顯微鏡三部分，其中壓痕打擊裝置采用彈簧加力、頭部鑲有直徑1/16英寸硬質(zhì)合金球的機械式?jīng)_擊裝置；對中用顯微鏡與固定底座結(jié)合，用來確定壓痕打擊的準確位置；固定底座底部鑲有高性能永久磁鐵，可快速吸附于磁性材料表面，同時能保證壓痕打擊裝置準確定位于應(yīng)變片上的壓痕打擊位置，制造出對中精確的壓痕。

2）KJS-3型壓痕應(yīng)力測試儀。

壓痕應(yīng)力測試儀采用ARM主板，內(nèi)嵌Windows CE操作系統(tǒng)，智能化管理，可全軟件操作。具有體積小、重量輕、測試方便快捷計算更準確等特點。液晶觸摸屏菜單方式簡單明了，外接USB口可進行通信及存儲。機內(nèi)帶有3點應(yīng)變自動調(diào)零、自動測試、測試數(shù)據(jù)屏幕顯示、貯存、數(shù)據(jù)處理（將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值）等功能，特別適合于實驗應(yīng)力分析和現(xiàn)場焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力無損檢測。其量程為±16 000με，分辨率1με，靈敏系數(shù)為0～9.99線性可調(diào)。

2.3 KFG-1-350-D17-11N30C2型應(yīng)變花

每塊測量用的圓鋸片各測點粘貼1片專用應(yīng)變花（三向），其電阻值為（119.8±0.3）Ω、靈敏系數(shù)為（2.0±1）% 。壓痕周圍彈性區(qū)應(yīng)變變化的正確測試是準確測量殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。將三向應(yīng)變花沿主應(yīng)力方向粘貼時，可以保證測出的殘余應(yīng)力有較高的準確度[19,20]。

3 測試方法與過程

3.1 測試方法

壓痕應(yīng)變法是通過疊加應(yīng)力場[20]引起的應(yīng)變增量計算原始殘余應(yīng)力。其中，在含有殘余應(yīng)力的圓鋸片鋸身表面，貼上雙向應(yīng)變花，應(yīng)變柵的方向應(yīng)盡量與主應(yīng)力方向一致。該試驗測量圓鋸片構(gòu)件的殘余應(yīng)力時采用公共補償連接法，補償片連接在補償兩個端子上。通過在應(yīng)變片的交點中心打擊一個壓痕，測量其輸出的應(yīng)變值，并用事先在實驗室標定得到的計算常數(shù)，按胡克定律即可計算出沿應(yīng)變片方向原始殘余應(yīng)力。

3.2 測試過程[16]

該試驗環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度55%，交流220 V/50 Hz電源輸入，無強磁場干擾。

1）被測構(gòu)件表面準備。

根據(jù)被測圓鋸片構(gòu)件的應(yīng)力分析要求及其表面的可操作狀態(tài)來確定測量位置。每塊圓鋸片選取0、1、2、3四個測試點，均在圓鋸片直徑線與同心圓周的交點上，測試點分布示意圖見圖2。為使表面機械打磨引入的附加應(yīng)力減至最小，同時便于粘貼應(yīng)變片，采用100～200#紗布，在圓鋸片鋸身的打磨區(qū)域的兩個垂直方向來回打磨，即表面手工打磨處理。

2）應(yīng)變片粘貼。

圖2 Y2號圓鋸片構(gòu)件殘余應(yīng)力測點分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring point distribution about number Y2 saw blade specimen residual stress

應(yīng)變片粘貼質(zhì)量是殘余應(yīng)力測量結(jié)果準確與否的關(guān)鍵，主要過程如下：首先，用干凈棉紗蘸上丙酮單向擦拭表面，直至清潔；其次，在準備好的專用二向應(yīng)變片背面均勻涂抹一層502快干膠，對準測點部位放好，必要時用鑷子輕輕移動和觸摸應(yīng)變片調(diào)整位置。粘貼時要保證兩個垂直的應(yīng)變柵分別于主應(yīng)力方向平行和垂直，且膠層應(yīng)盡量薄。并將聚氯乙烯薄膜放在應(yīng)變片上方，用拇指滾壓1～2 min；再次,10 min左右沿切向輕輕揭起塑料膜。當應(yīng)變片密實，無任何翹起時，在應(yīng)變片引出線附近粘貼接線端子。最后，在距離打擊點1～2 mm范圍內(nèi)用刀片各劃一刀，以切斷應(yīng)變片基片與壓痕打擊處的聯(lián)系。

3）制造壓痕。

粘貼應(yīng)變片后1～3 h，進行壓痕制造工作，即：第一步，在壓痕測試儀的CH1、CH2通道上接入測量用的應(yīng)變片。CH1、CH2應(yīng)變值對應(yīng)儀器屏幕上的徑向應(yīng)變C1、切向應(yīng)變C2。按“初值”鍵，觀察應(yīng)變平衡情況。第二步，將對中底座大致以應(yīng)變片為中心位置，然后插入顯微鏡，必要時可輕輕移動底座，再通過底座上的調(diào)整螺絲微量調(diào)整顯微鏡鏡筒，將應(yīng)變片上的壓痕打擊點與顯微鏡中心點調(diào)節(jié)至重合。第三步，拔出顯微鏡，將打擊桿拉桿拉伸至鎖扣相應(yīng)檔位，然后插入底座中。按“應(yīng)力”鍵，將初始值歸零。

4）正式測量。

在軟件上通過新建文件名、參數(shù)設(shè)置[修正因子0.95，靈敏系數(shù)（2.05±1）%等]進入“實時值”界面，點“初值”觀察各通道平衡狀態(tài)，并預(yù)熱10 min。再點擊“應(yīng)力”，使儀器進入應(yīng)變采集工作狀態(tài)，完成擊打后再點擊“應(yīng)力”結(jié)束采集，此時“實時值”界面顯示實時的測量應(yīng)變值和應(yīng)力值[21]的計算結(jié)果。該試驗每測一點，儀器將自動測量、記錄、計算和存儲有關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 圓鋸片試件殘余應(yīng)力測試現(xiàn)場Fig.3 Residual stress test of circular saw blade

4 結(jié)果與分析

上述Y2、Y5號圓鋸片試件測算的應(yīng)變、應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。其徑向和切向殘余應(yīng)力分布見圖4、5。

表1 圓鋸片試件的應(yīng)變、應(yīng)力數(shù)據(jù)測算表Tab.1 The strain and stress data of circular saw blade

圖4 徑向殘余應(yīng)力（S1）分布Fig.4 Distribution of radial residual stress (S1)

由圖4可知，Y2號圓鋸片構(gòu)件上的0、1、2、3測點的徑向殘余應(yīng)力值呈依次降低的趨勢，其中0測點值187 MPa為最大，分別高于1測點、2測點和3測點值（最小值）的5.1%、6.3%和7.5%。Y5號圓鋸片試件上的0測點徑向殘余應(yīng)力值185 MPa為最大，3測點最??；且0測點值高于1測點、2測點和3測點值（最小值）的5.7%、3.4%和5.7%。同理，由圖5得知，Y2號圓鋸片試件上的0測點的切向應(yīng)力值186 MPa為最大，分別高于1測點、2測點（最小值）和3測點值的5.1%、7.5%和6.3%。Y5號圓鋸片試件上的0測點的切向應(yīng)力值186 MPa為最大，且0測點值高于1測點、2測點（最小值）和3測點值的4.5%、7.5%和5.7%。

圖5 切向殘余應(yīng)力（S2）分布Fig 5 Distribution of tangential residual stress (S2)

上述表明，因0測點靠近鋸片的齒根部位，受其齒根應(yīng)力集中、齒頭焊接應(yīng)力和卸荷槽加工應(yīng)力等因素影響，致使0測點的徑向殘余應(yīng)力值最大。該試驗所測的Y2、Y5號兩塊同條件下的圓鋸片構(gòu)件的相關(guān)點徑向和切向殘余應(yīng)力值吻合，既說明了該試驗結(jié)果符合理論的事實，同時反映出該圓鋸片構(gòu)件的生產(chǎn)企業(yè)使用的材質(zhì)好，圓鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，機加工、熱處理、焊接和適張度處理等工藝技術(shù)水平較高等實力狀況。

5 結(jié)論與建議

1）壓痕法的應(yīng)力測量過程簡便易行，測量精度較高，無需昂貴的儀器設(shè)備。

2）圓鋸片鋸身上距齒根部位最近測點的殘余應(yīng)力值最大；其鋸身上各測點的徑向和切向殘余應(yīng)力值一致。對此，圓鋸片制造廠家應(yīng)注重齒形設(shè)計與加工及其焊接工藝試驗等優(yōu)化工作。

3）壓痕周圍彈性區(qū)應(yīng)變變化的正確測試是準確測量殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。該壓痕法用雙向應(yīng)變花沿圓鋸片的主應(yīng)力方向進行粘貼，且粘貼質(zhì)量好，可確保測出的圓鋸片殘余應(yīng)力值有較高的準確度。

4）該工程中鑒于客觀條件的限制，應(yīng)力測量點數(shù)目有限，一定程度上影響了測量的可靠性和概率分析，后續(xù)研究將有待開展。

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