发动机铸铁缸体残余应力测试方法

铸铁缸体是发动机的骨架，所有的部件都是安装在上面。其受力情况很复杂，除了承受所有零部件重量以及缸盖螺栓紧固力产生的静载荷外，其内部还存有铸件冷却过程中产生的残余应力。当缸体承受外力时，残余应力与其相互作用，从而改变缸体实际受到的应力大小，当局部应力叠加超过材料强度极限时，可能导致缸体的变形甚至开裂。因此，发动机缸体内部残余应力的测试和分析成为了不可或缺的重要工作。

残余应力测试方法有很多种，但由于缸体结构复杂、体积大、重量大、表面存在氧化层和铸造残沙，所以x射线法不适用。小孔法主要用来测试物体的表面残余应力，所以也不适用。而切割法可以完全测量内部残余应力，并且对构件尺寸没有要求，因此切割法更适合发动机缸体的残余应力测试。

本文选取缸体气缸底座四个典型位置作为测试点，主要测试缸体未时效和时效热处理两种状态下的残余应力，然后根据力学公式计算出相应的残余应力大小，为缸体的系统受力分析提供了依据。

残余应力测试方法

测试位置选取

在缸体的很多位置同时使用应变片测量残余应力是不现实的，只能针对性的选择几个典型位置。应变测试点的选取原则应遵循以下几点；1.理论计算的高应力区和实际发生开裂的部位；2缸体实施减重部位；3进一步优化设计关注的部位。根据以上原则，选取气缸底座的圆弧表面作为测试点。试验中选取中间两个腔体，共四个点。

应变片粘贴、桥路连接

应变片采用聚航科技的泊式电阻应变片，应变片阻值为120Ω，灵敏系数为2.10.

采用惠斯通电桥中的半桥接法，将四个测点的应变片和补偿应变片分别连接到应变仪的4个通道，形成4个半桥桥路。

缸体切割

切割前，固定导线，确保导线不妨碍切割或发生移动。每次切割前平衡桥路。

残余应力测试计算

残余应变=-（释放的应变量-初始应变量）

由于每次切割前都对桥路进行过平衡，所以初始应变量记为0，释放的应变量由应变仪测得。将每次切割后测得的应变值求和，即得到各个测点所释放的残余应变总量。

根据材料的本构关系，可以将应变转成应力。缸体腔体测点处材料处于平面应变的二向应力状态，依据广义胡克定律，此方向的应力可按下式计算：

式中E-材料弹性模量

μ-材料泊松比

本文缸体使用材料为HT250，其弹性模量为120CPa，泊松比为0.3.根据该公式计算得出各测试点的残余应力大小。

数据分析与讨论

减少测量误差的方法

为了保证测试结果的准确性，在测试前和测试过程中，采取了一系列措施，以避免或减少环境因素对试验结果的影响。

每个测试点的应变片会因温度的影响而发生一定的变化量。为了消除这种影响，采用与被测材料相同的物体作为补偿块，并在补偿块上粘贴与被测构件相同的等效应变片。补偿块不受荷载作用，只感受环境温度的变化，利用惠斯通电桥相邻两臂上的电阻由于温度引起的应变变化相互抵消，以消除温度对测试结果的影响。

机械切割产生的热量会使缸体测试部位温度升高，导致测试结果漂移。因此，每次切割后和读取数据之前，需等缸体冷却到切割前的温度。

导线电阻是影响测量结果的因素之一。研究表明，应变仪测得的应变会随着导线电阻的增加而减小。一般来说，当导线长度小于10m时，导线电阻的影响可以忽略。本次测试使用的导线小于1m，所以可以忽略其影响。测试前固定导线，在切割以及测试过程中，不要移动导线，保证数据的稳定性。

实验结果与分析

由表1可以看出，在第1、2、3次切割时4个测试点发生了较大的应变变化，第4次切割后，各测试点几乎不变。此时，测试点1被切离缸体，后续切割应变变化都为零。第5次切割在测试点3处。切割完成后，测试点3、2和4都有明显的应变释放，其中测试点2和4变化最大。第6次切割后，测试点3被切离缸体，测试点3、2和4无应变变化。第7次切割后，测试点2、4有一定的应变释放。第8次切割后，测试点2、4基本上没有应变释放，测试点2也被切离缸体。第10次切割后，测试点4被切离缸体，只有少量残余应变，大部分残余应变已在第9次切割中释放殆尽。综上所述，在每个测试点从切离缸体的最后一次切割为残余应变释放主要释放时刻，从切离缸体后没有应变释放。

由表2可以看出，未进行时效的缸体，在测试点1和3处有残余压应力，在测试点2和4处有较大的残余拉应力。残余拉应力明显大于残余压应力。本文中缸体材料的抗拉强度为270MPa、测试点2和4处的残余应力分别达到238、243MPa。接近材料的抗拉强度。所以测试点2和4是缸体危险点，容易发生变形和开裂。与未时效的缸体相比，经时效热处理缸体各测试点残余应力平均值降到21MPa。

结论

1. 采用切割法对发动机缸体内部进行残余应力测试，实验方法简单，结果可靠，为缸体安全受力分析提供了依据。

2. 缸体铸造毛坯内部存在较大的残余应力，如果最大残余应力接近材料的强度极限，则存在变形和开裂的危险，需要进行应力处理。