残余应力测量全释放应变法编制说明.doc

《金属材料 残余应力测定 全释放应变法》国家标准编制说明1 工作简况1.1 任务来源根据全国钢标准化技术委员会《钢标委 [2011]29 号文件》“关于转发国家标准化管理委员会2011 年第二批国家标准制修订项目计划的通知”所下达的国家标准修订计划，《金属材料 残余应力测定 全释放应变法》标准列入国家标准修订计划，计划编号为 20111034-T-605 该标准由武汉钢铁（集团）公司、中国科学院金属研究所和上海出入境检验检疫局共同负责起草1.2 起草过程残余应力的存在往往对构件（特别是焊接产品）的使用带来重大影响，如加速疲劳断裂，促进应力腐蚀开裂等，了解残余应力大小和分布的主要方法就是应力的测定可以把现有的残余应力测量方法分成三大类：无损的物性法 这一类方法利用材料在应力作用下物理性能发生变化的特点来测定残余应力例如 X射线衍射法和中子衍射法利用材料的晶格常数在应力作用下发生变化形成不同的衍射峰来测定残余应力；磁性法利用材料在应力诱导下产生磁致伸缩效应或 Baukhausen 噪声来测定残余应力这类方法的特点是非破坏性和对材料组织结构的过分依赖破坏或半破坏性的应力释放法 利用切割或钻（套）孔使构件中的残余应力得到全部或部分释放，根据释放应变和释放方法求出相应的残余应力大小。

此类方法多数利用电阻应变片作为测量敏感元件，测定精度较高例如全释放应变法将构件彻底切割破坏，使应力得以全部释放，对于应力梯度不大的情况，可以获得十分精确的结果；盲孔法属于半破坏性方法，它要在构件表面钻一盲孔（一般 1.5 2.0mm），在工程上应用较广这类方法的特点是破坏性和不受材料组织结构控制，对大应力梯度场的测量有误差无损的（压痕）应力叠加法 此类方法和应力释放法相反，采用特定压头压入材料表面，通过压痕获得附加应力场，再根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力，包括硬度法、纳米压痕法和压痕应变法但硬度法和纳米压痕法目前只能定性测量，而压痕应变法是其中最具现场应用价值的方法，该方法的特点是非破坏性、方便性和准确性全释放应变法始于一个世纪前 1888年俄国的 Kalakoutsky 最早报道了测量纵向残余应力的切槽法（ Slitting ），1950’s初，美国的 Treuting等人将之称为截面解剖法（ Sectioning method）目前全释放应变法已经在国内外的钢铁、水电、制铝、电力等行业得到大量应用，已被科研院所、高校和生产企业所广泛接受第 1 页 共 9 页标准起草单位通过对国内外有关标准及相关文献进行了广泛调研 [1 ～ 27] ，于 2012年 8 月提出《金属材料 残余应力测定 全释放应变法》国家标准征求意见稿和相应的编制说明，并向有关生产、使用单位及研究院所征求意见。

现就该标准的编制情况说明如下2 制定本标准的原则查阅了大量的国内外有关标准及相关文献，没有发现有可以直接借鉴的现成的国外标准和国内标准但也查阅一些相关标准，可以参考，例如在铁路钢轨和钢管产品标准中部分章节就涉及到释放应变法测量残余应力的内容在相关产品标准中，释放应变法多测量简单的单向残余应力，但在大型工程检测和科研项目研究中经常测量平面双向残余应力，也有测量三向残余应力的考虑到三向残余应力的测量费工费时，周期长，一般单位涉及少因此，本标准草案在正文中详细列出了单向残余应力和双向残余应力的测量过程和计算公式作为必须要求，而仅在附录中提出三向残余应力的测量过程和计算公式，供有兴趣的单位参考本标准草案的标题形式、整体结构、层次划分、编写方法、术语与符号等技术内容尽可能与 GB/T 24179-2009 《金属材料 残余应力测定 压痕应变法》一致3 标准草案中重点技术内容的说明3.1 在全释放应变法的适用范围中，说明了该方法所测得的残余应力只是一定体积材料内的平均值，因而对于表层以下应力梯度特别大的情况（如涂层材料和机加表面） ，测量所得的结果与实际相比会偏小，这在第 8 节中有相应说明另外，采用该方法测量残余应力，前提是知道材料的弹性模量和泊桑比。

3.2 压痕应变法测量残余应力用的应变记录设备无特殊要求，只要能满足应变仪的最低行业标准即可，因为即使读取应变数值的过程较长而产生漂移，产生 10 的误差也不会引起超过 2MPa 的残余应力变化3.3 在全释放应变法测量残余应力过程中，测量表面的准备和应变片的粘贴等环节十分重要，需要按有关要求仔细而谨慎操作对于应变片粘贴时间，一般要求 1-2 天，以保证应变片的粘贴充分干燥且强度达到最大同时，为了避免切割过程中升温造成初始应变的漂移，适当温度的干燥是必要的但是，干燥温度不宜过高，否则会使应变片粘贴失效3.4 试件的切割过程需要特别小心，一旦损伤应变片，测点将不可恢复切割方法有很多种，如自动带锯、手工锯切、线切割、专业套钻工具等，只有能安全有效地取下包含应变片的材料单元，即可获得应变释放的数据3.5 测量过程中采用单向、双向还是三向应变片，要由客户要求或残余应力分布性质决定另外，检测人员的知识和经验也很重要确定的单向应力场，如螺杆等，采用单向应变片即可第 2 页 共 9 页未知的应力场，如要求解主应力大小，必须要用三向应变片而求解确定方向的残余应力，也可采用双向应变片，即使此时主应力方向未知。

4 几个验证试验的说明释放应变法测量残余应力遵循的原理最简单，是胡克定律，所以它也就自然成为一种验证其它残余应力测试方法，如小孔法、压痕应变法的基石那如何来验证释放应变法呢？虽然目前各种测量方法均有一定的误差，但是采用某些有标准可依的方法进行相互验证还是可以说明问题的，如 X 射线衍射法和压痕应变法在材料无织构、晶粒不是过分粗大的情况下， X 射线法应是验证释放应变法测量结果较为合适的手段在本标准的制订过程中，选择重轨、钢板桩、焊接试板等测试对象，开展了全释放应变法与局部释放法（部分产品标准规定的方法） 、全释放应变法与 X 射线衍射法、全释放应变法和压痕应变法之间的验证试验1）重轨全释放应变法与局部释放法的验证试验以冷矫后的 U75V 重轨为研究对象，采用 TB/T 2344-2003 推荐的切条释放法和全释放法对其外表面的残余应力分布规律进行测试对比，试样长 1m应变测量采用型号为 BZ2206 的静态电阻应变仪，应变片选用的是 BA120-1BA(11)-ZKY ，基底尺寸 6× 6mm的双向应变片全释放法的测试过程：首先在 1m长重轨试样中间的预设测点位置表面用布砂轮打磨平整，再用 200＃砂纸手工打磨，完成后用酒精清理干净，再用 502胶水将应变片粘贴在相应的测点位置（见图 1）。

待应变片干透后用应变仪测量每个测点的初始应变读数，然后按照标准 TB/T 2344-2003 规定的局部释放法进行切割并测量横截面试样上应变片的读数（见图 2），最后采用线切割将每个测点的应变片连同底下的材料以尺寸 10× 10× 10mm大小取下来测量各小块试样（见图 3）的应变片读数通过前后应变片读数之差就可以得到释放的应变量，再根据相应公式计算重轨上各测点释放图 1 测点布置图的残余应力第 3 页 共 9 页图 2 切取的横截面试样 图 3 线切割取下的小块试样根据全释放应变法的原理，当切取的试样足够小，以致其上的宏观残余应力分布梯度可以忽略不计时，则宏观残余应力就会得到充分释放，通过检测其上应变片释放的应变就可以求取释放前的残余应力了由于粘贴的应变片有一定的大小尺寸，为了不对其造成破坏，本文中切割的小试样尺寸达到 10× 10× 10mm 的大小，可以基本上认为其上的残余应力已经得到了完全的释放下表 1 是重轨表面1～ 12 号测点位置检测得到的释放应变及根据释放应变计算的残余应力表 1 残余应力检测结果切条释放法完全释放法测点位置释放应变 / με 残余应力 /MPa释放应变 / με 残余应力 /MPa纵向横向纵向横向纵向横向纵向横向1-104593216-19-773-156187882-1107180229-37-801143172223-10727222-1-853-1822061004-269 -1875639-141-16043465-9 -15723213-19911446-191 -1634034-195-4187310877-41-18-26-19519468479 -256-9953583138-142-719113 -185-2338184-220-273710-307 -139642977-26615511-169-973520-124-250456512-30921364-44-679-21616995下面图 4 和图 5 分别是重轨表面纵 /横向残余应力在不同部位的分布情况。

由图 4 可以看出，全释放法和切条释放法检测的重轨表面纵向残余应力分布情况基本一致，数值上的差异也不是很大由图 5 中可以看出，全释放法检测的重轨表面横向残余应力在轨底偏离中间 20mm 左右位置、轨底上表面中间偏上位置、轨腰中间位置和轨头顶部位置都出现了极值情况，除了轨腰中间位置是压应力外，其他部位都是拉应力由于切条释放法对重轨表面横向残余应力未进行有效释放，同全释放相比所检测的横向残余应力相似性较差第 4 页 共 9 页图 4 重轨表面纵向残余应力的分布情况图 5 重轨表面横向残余应力的分布情况从生产控制的便捷性和经济性、使用的安全性综合考虑， TB/T 2344-2003 、 TB/T 2635-2004 规定切条释放法检测重轨表面纵向残余应力是否合格的型式检验方法还是可以接受的2）重轨全释放应变法与 X 射线衍射法的验证试验全释放法残余应力检测。