残余应力检测案例

发布时间：

2024-03-27 10:17

来源：

阅读量：

1.核电设备安全端异种钢焊接结构残余应力多方法测量与分析。

中国是目前世界上最大的应用核电技术发电国家，占世界新增核电投资的一半以上，预计在2030年前，中国的核电发电量将超过美国。核能发电作为应对不断增长的能源需求的重要手段，对核电站的技术革新，尤其是结构安全及延寿的研究显得尤为迫切。在核电装备领域，如核反应堆的压水堆中（PWR），使用低合金钢制造的大型构件一般通过异种金属焊接（DMWs）技术连接到不锈钢管道系统。这些焊缝处于高的拉应力及腐蚀条件下时，非常容易发生应力腐蚀开裂，成为影响核电站运行安全及延长寿命的限制因素。在中广核对核电站的主回路结构完整性及寿命延长的计划中，获得DMW管道残余应力大小及分布的是该计划的研究基础。为获得准确的，多方法验证的测量结果，本中心依托单位分别使用了中子衍射，轮廓法及有限元数值模拟对不同尺寸规格的核电站安全端异种钢焊接结构管道进行了残余应力的测量及模拟。该项目为国内在役核电站设备的结构完整性和服役性能评价提供了宝贵的专业知识和数据积累，为最终核电站的安全性能提升及寿命延长提供了研究基础。

图核电安全端异种钢焊接部件形貌图，以及接管环向应力分布中子及轮廓法测量结果与有限元模拟结果的比较

2.承担中科院先导科技专项：高端轴承自主可控制造。

轴承是所有如轴、阀门、汽车、火车、飞机等装备的旋转机械部件中的重要组成部分，该行业的利润十分可观，但是轴承零部件的加工失败的代价十分高昂。一套价格在100元左右的简单轴承只是大型的复杂机械结构中的小部分，但是如果轴承发生失效，不仅会造成数百万元的损失，并且会带来安全隐患。与国外高端轴承相比，中国高端轴承的产品质量往往较差。高端轴承较差的服役性能及提前失效往往源于零件的热处理和机械加工过程中产生的残余应力，残余应力对轴承失效的影响体现在两个方面：一是表面和近表面的残余应力状态直接影响耐磨性和抗接触疲劳性能；二是残余应力在存储、运输和使用等过程造成残余应力释放，产生二次变形，降低轴承的安装精度，进一步降低疲劳寿命。

本中心主要关注高端轴承的研究，包括结构材料、热处理工艺、精密加工和装备等。沈阳中科院金属所试图通过研究轴承生产的原材料、加工路线和机械性能来提高国产轴承的质量。在这方面，本中心结合X射线衍射法和轮廓法对加工过程及服役后高端轴承表面及内部的残余应力状态进行测量，进而研究残余应力分布与轴承失效的关系，为完善和优化高端轴承制造工艺，控制其中残余应力的大小及分布，形成有效的应力梯度以最大限度地提高高端轴承的服役寿命提供标准和理论依据，进一步推动了高端轴承国产化工作的实施。

图典型轴承及轴承外圈轮廓切割面，和轴承外圈轮廓法残余应力测量结果

3.复杂结构部件的轮廓法残余应力测量

在石油和天然气领域，石油和天然气管道系统承载着大量的运输任务，是能源领域的主动脉。在石油和天然气管道系统中，焊接法兰部件容易在使用过程中出现的裂纹，从而导致长时间的石油和天然气的供应受限，造成重大的经济损失。研究法兰管焊接部件的裂纹失效，部件内部残余应力的测量是其中的关键。但受限于法兰管的复杂结构，传统的残余应力检测技术无法对具有如此复杂几何形状构件的残余应力进行有效测量。本中心使用轮廓法对具有复杂结构的法兰焊接件的残余应力进行检测，通过轮廓法切割和测量，最终计算获得了法兰焊接构件残余应力分布。通过对残余应力对裂纹萌生影响的研究，可对焊接工艺及焊接参数进行改进，从而避免使用过程中裂纹的形成。

图法兰弯管结构、法兰切割面及残余应力分布

4.金属激光增材制造零件残余应力测量。

金属激光增材制造过程中部件的变形、残余应力以及相关的热机械性能模拟预测计算量大，且需要包括升温条件下材料力学行为等复杂的数据。南京航空航天大学正在开发基于静态结构有限元分析的模拟方法，通过假定“约束力”可以较为容易地预测待测量部件中的形变和残余应力分布，但是这种方法需要彻底的试验验证。前期的研究工作发现通过静态结构有限元模拟计算得到的形变及热机械性能结果与试验测量结果相关性较好。

在此基础上，假设使用该方法可以预测具有不同打印层数的增材制造部件残余应力分布，即分别计算有n层打印部件和n+1层打印部件的残余应力，并通过简单的减法即可得到最后一层打印引入的残余应力。考虑到试件的厚度较小，且需要高空间分辨率的数据来和模拟结果进行对比，使用轮廓法对九种不同层高的金属激光增材制造零件的残余应力进行测量，以建立对增材制造过程中构件应力演化的认识。由于增材制造构件中的晶粒尺寸和材料织构会对X射线衍射以及中子衍射的测量结果造成较大影响，因此轮廓法是测量增材制造构件中残余应力分布的立项方法。为准确获得试件边缘位置的残余应力分布，轮廓法切割过程中设计并使用牺牲耗材将试件包裹，如图18中橙色部分所示，相应的残余应力测量结果如图所示。

图增材制造部件的残余应力测量与模拟。

5.异种金属焊接管道环向和轴向残余应力测量及模拟对比。

在核电领域，焊接管道的残余应力大小和分布对安全性能评估至关重要。由于异种金属焊接部位力学性能和微观组织结构的复杂性，一般情况下很难通过数值模拟精准预测残余应力的分布状态，因此通过试验方法直接测量得到的残余应力可以为模型的进一步完善与优化提供关键的数据。成都核动力院（以下简称核动力院）正在对异种金属焊接管道焊缝处的残余应力进行研究，与传统的金属焊接技术不同，该管道的设计特点是通过堆焊进行异种金属焊接。近6个月以来，核动力院对残余应力的有限元模拟结果感到困惑，但是没有找到合适的实验方法对模拟结果进行验证。

考虑到异种金属焊接管道试件的尺寸和复杂性，本中心提出结合轮廓法与X射线衍射法对试件残余应力进行测量。管道截面结构示意图以及使用轮廓法、X射线衍射法的测量结果如图19所示。由于轮廓法测量对材料的微观结构（晶粒尺寸和材料织构）不敏感，通过轮廓法测量能够建立大范围内金属焊接构件的环向与轴向的残余应力分布模型。该管道测量区域近1米长，是国内目前为止最大尺度的轮廓法测量，也可能是世界范围内公开发表的第一个大尺寸的轮廓法测量案例。

图异种金属焊接管道截面结构示意图及轮廓法、X射线衍射法残余应力测量结果

6.核电焊接管道残余应力测量

针对图中异种金属焊接管道，在焊缝处的残余应力测量的关键部位。面对这种厚度大、应力梯度变化大的工件，若要进行残余应力测量，采用轮廓法是一种最为适合的方法。在了解材料内部应力状态后，不断改进制造工艺，最终实现产品的应力调控。

检测方法：轮廓法

被测工件：异种金属焊接管道

7.瓷砖的残余应力测量

在大尺寸瓷砖产品机加工过程中，开裂问题是一件行业普遍存在的问题，同时这种开裂的规律并不遵循某一规律，难以把控。残余应力作为影响材料开裂的一种重要因素，应力所科研团队通过进行残余应力研究来探究瓷砖开裂的规律。针对陶瓷产品脆性大、成分复杂的特点，科研团队采用了盲孔法对产品进行残余应力测量。并给出工艺改进方案