矿井提升机主轴, 在使用过程中由于疲劳累积损伤、裂纹造成突然断裂等失效的现象极为普遍。目前通过机械日检查、定时分解, 采用目视和常规的无损探伤技术 (涡流、超声波等) 来监测其质量。为了防止事故的发生, 也有增加检查频度。这样做未能实现真正意义上的视情维修和贯彻以可靠性为中心的维修思想。因此, 讨论在宏观裂纹 (甚至微裂纹) 形成前采用检测残余应力的方法来预报航空结构件的突变断裂是非常有意义的。
1 残余应力[1~4]
目前世界各国科技人员普遍认为材料[8]中的残余应力可分为3类:第一类, 在较大的材料区域 (很多个晶粒范围) 内几乎是均匀的, 可理解为存在于各个晶粒的数值不等的内应力在很多晶粒范围内的平均值, 是较大体积宏观变形不协调的结果;第二类, 在材料的较小范围 (1个晶粒或少量晶粒) 内几乎是均匀的, 相当于各个晶粒尺度范围的内应力的平均值, 可归结为晶粒之间变形的不协调;第三类, 在极小的材料区域 (几个原子间距) 内也是不均匀的, 可理解为局部存在的围绕着各个晶粒的第二类内应力的波动值, 对晶体材料而言, 它与晶格畸变和位错形态相联系。
残余应力是一种弹性应力, 并与材料中局部区域存在的弹性应变相联系, 因此总是由于某种原因 (如冷热变化、相变等) 引起材料的不均匀变形。毫无疑问, 局部区域的残余应力反映着材料的微观、细观特性。
2 检测残余应力预报矿井提升机主轴疲劳断裂[5~7]
金属疲劳断裂可分为3个阶段:疲劳 (微裂纹萌生) 阶段、过渡阶段和宏观裂纹扩展阶段。无损探伤手段仅局限于检测已经形成的裂纹。研究表明:金属航空结构件疲劳破坏、断裂是由于应力集中产生了局部塑性变形, 应力过大是根本原因。在疲劳损伤累积、裂纹扩展的过程中, 局部应力释放;在应力场作用下, 零件材料的晶格间距将发生变化, 卸载后残余应力不可避免地会重新分布。由此看来, 残余应力特征参量基本上能表征材料的早期损伤、裂纹扩展、断裂和寿命。
对光滑试件来说, 由残余应力引起的材料疲劳极限的变化为:
(1) 式中:称为平均应力敏感系数, 它随材料的不同而异, 根据试验求得;σw0为平均应力为0时的疲劳极限;σb为抗拉强度。 (1) 公式中的负号表明残余拉应力可使试件材料的疲劳极限下降。
用热处理方法使表面产生压缩残余应力也是对疲劳强度影响的实例, 图1是把圆棒在600℃时急冷, 使表面产生压缩残余应力。
电镀处理的残余应力由于工艺电流、电镀液种类、温度等的不同, 使其分布和量值的差异很大, 因此电镀残余应力对疲劳强度的影响变化也很大。多数金属在电镀后表面产生拉伸残余应力, 因此将大大降低疲劳强度。
残余应力对疲劳强度的影响是复杂的。由于在交变应力作用下残余应力将会发生很大的变化, 所以研究残余应力与疲劳强度之间的关系是比较困难的。但其影响规律, 通过实验还是可以找到的。
3 磁弹性检测残余应力
残余应力的检测方法较多, 可分为无损法 (X射线衍射、磁弹性法等) 和破损法 (盲孔法、环芯法等) 两大类, 无损法由于不损伤被检制件而具有最好的应用前景。
磁弹性检测是一种新型的磁性无损检测方法, 它以磁滞效应、巴克豪森效应为基础检测磁噪声和应力。铁磁材料包含有许许多多的小磁畴, 每一个磁畴都有一个特定的自发磁化方向, 各磁畴之间由被称为畴壁的边界分开。在外加交变磁场的作用下, 畴壁将发生不可逆移动, 会在探测线圈中产生一系列的电脉冲信号, 即磁噪声;铁磁材料在外加磁场的作用下具有磁致伸缩效应, 当畴壁产生磁噪声时, 会产生体积应变, 能量以弹性波的形式释放出来, 若把压电晶体传感器置于交变磁化的样品表面即可检测到一系列的声脉冲所激励的信号, 称为磁声发射。两种信号都与材料的显微组织结构和表面应力状态有关, 因此可用于检测残余应力、组织结构、表面缺陷等。
4 结语
矿井提升机主轴结构件失效造成的一些灾难性事故, 从现象上看是突变断裂, 但实质上是由于应力过大引发的疲劳累积损伤造成的。疲劳累积损伤和材料的位错密度、磁噪声、磁发射信号都与残余应力有关。
摘要：残余应力是影响金属构件疲劳、断裂的重要因素, 是表征构件早期质量好坏的重要参量, 根据现代已成熟的统计理论和计算机模拟技术, 可找出残余应力的变化规律。本文阐述了用磁弹性无损伤检测残余应力的方法预报矿井提升机主轴突变断裂的可行性。
关键词：矿井提升机主轴,残余应力,突变断裂
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