某生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的廠家，近期發(fā)現(xiàn)一批缸體有變形、開裂現(xiàn)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些變形、裂紋都與殘余應(yīng)力有關(guān)。在缸體鑄件冷卻過程中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，當(dāng)缸體承受外力時(shí)，殘余應(yīng)力與其相互作用，從而改變缸體實(shí)際受到的應(yīng)力大小。當(dāng)局部應(yīng)力疊加超過材料強(qiáng)度極限時(shí)，就會引起缸體變形甚至開裂。因此，有必要對發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部進(jìn)行殘余應(yīng)力測試和分析。
殘余應(yīng)力測試方法
殘余應(yīng)力測試方法主要分有損和無損兩大類，有損檢測有盲孔法、切割法等，無損檢測有x射線、磁測法等。本次實(shí)驗(yàn)中，測試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大、表面存在氧化層和鑄造殘沙，所以X射線法不適用。盲孔法主要是用于物體表面殘余應(yīng)力測試，所以也不適用。而切割法可以完全測量內(nèi)部殘余應(yīng)力，并且對構(gòu)件尺寸沒有要求，因此切割法更適合發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的殘余應(yīng)力測試。
測試儀器
試驗(yàn)儀器采用聚航科技的JHYC靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)，多通道設(shè)計(jì)，軟件式操作，中文界面，應(yīng)變值實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)及曲線實(shí)時(shí)保存，儀器精度高，測量結(jié)果精確。
試驗(yàn)依據(jù)：《GBT 31218-2014金屬材料 殘余應(yīng)力測定 全釋放應(yīng)變法》
殘余應(yīng)力測試方案
（1）測點(diǎn)位置選取
應(yīng)變測試點(diǎn)的選取原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：1.理論計(jì)算的高應(yīng)力區(qū)和實(shí)際發(fā)生開裂的部位；2缸體實(shí)施減重部位；3進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)注的部位。根據(jù)以上原則，在缸體上共選取12個(gè)測點(diǎn)，均采用三軸應(yīng)變花。
（2）應(yīng)變片的粘貼及連接：將各個(gè)測點(diǎn)位置進(jìn)行打磨清潔，粘貼應(yīng)變片及接線端子。
（3）初始值記錄：完成貼片后，將應(yīng)變片按照1/4橋接入JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，查看數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄缸體應(yīng)變初始值。
（4）測量及缸體切割：拆除測量線纜，依據(jù)切割方案將缸體進(jìn)行切割，沿著各測點(diǎn)位置將應(yīng)變片盡可能割成小塊，切割過程中注意應(yīng)變片的保護(hù)。
（5）終值記錄：切割完成后，將切割下來的試塊上的應(yīng)變片按照1/4橋接入應(yīng)變儀，查看數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄缸體應(yīng)變終值。
測試結(jié)果及計(jì)算
缸體使用材料是HT250，其彈性模量為120GPa，泊松比為0.3。首先將測量記錄的終值減去初值得到表1應(yīng)變測量結(jié)果，根據(jù)測量標(biāo)準(zhǔn)里的三軸應(yīng)變花的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算得到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。計(jì)算公式如下：
測試結(jié)果如下：
表1：應(yīng)變測量結(jié)果
測點(diǎn)號 | ε0（με） | ε45（με） | ε90（με） |
1 | 35.6 | -21.4 | 30.4 |
2 | -38.8 | 88.0 | -85.7 |
3 | -29.2 | -20.2 | 60.4 |
4 | 194.1 | 98.1 | -44.7 |
5 | -4.6 | -2.2 | -8.8 |
6 | 14.8 | 25.2 | 43.2 |
7 | 22.5 | -10.3 | 6.5 |
8 | 255.6 | 70.2 | -78.2 |
9 | 21.1 | 73.9 | 96.8 |
10 | 86.5 | 69.1 | 36.7 |
11 | -36.2 | 16.9 | 13.3 |
12 | -38.5 | -50.8 | 46.5 |
表2殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
測點(diǎn)位置 | σmax(MPa) | σmin(MPa) | 角度θ(°) | σx(MPa) | σy(MPa) | σ-(MPa) |
1 | 10.5 | 0.0 | -43.6 | 7.29 | 7.58 | 10.49 |
2 | 4.6 | -24.6 | 40.6 | -21.68 | -12.45 | 27.18 |
3 | 8.0 | -3.0 | 19.3 | -5.49 | 6.56 | 9.86 |
4 | 23.6 | 0.3 | 5.5 | -2.01 | 23.55 | 23.50 |
5 | -0.6 | -1.5 | 32.5 | -0.98 | -1.33 | 1.35 |
6 | 6.0 | 3.2 | 7.5 | 2.41 | 6.42 | 5.24 |
7 | 4.8 | -0.2 | -36.1 | 2.69 | 4.01 | 4.92 |
8 | 30.3 | -1.9 | -3.2 | -0.26 | 30.37 | 31.32 |
9 | 13.3 | 5.5 | -10.8 | 7.93 | 12.06 | 11.61 |
10 | 12.4 | 7.4 | 8.4 | 5.48 | 13.30 | 10.77 |
11 | 1.8 | -5.4 | -24.4 | -4.22 | 3.87 | 6.52 |
12 | 7.3 | -6.0 | 26.1 | -8.62 | 3.90 | 11.55 |
數(shù)據(jù)分析
從表2可以看出，12個(gè)測點(diǎn)中8號測點(diǎn)的殘余應(yīng)力最大，為30.3MPa，灰鐵250的抗拉極限是250MPa，殘余應(yīng)力的大小要小于抗拉極限的1/3，因此，該缸體整體殘余應(yīng)力水平較小，在實(shí)際使用中比較安全。
結(jié)論
1. 由實(shí)驗(yàn)證明，切割法可用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部殘余應(yīng)力測試，儀器操作簡單，結(jié)果可靠，為缸體安全受力分析提供了依據(jù)。
2. 切割前后分別接線測試，可以減少在切割過程中發(fā)生斷線的風(fēng)險(xiǎn)，保障測量的可靠性。但該方法對儀器的測量穩(wěn)定性有很高要求，JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀穩(wěn)定度±2με/4h，能夠很可靠完成這種方法的測試。
