残余应力测量钻孔应变释放法.docx

金属材料 残余应力测定 钻孔应变法》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 钻孔应变法》标准列入国家标准修订计划，计划编号为20111035-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、武汉理工大学、武昌造船厂等单 位共同负责起草2.2 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①1.5x2.0mm）,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、方便性和准确性小孔法是德国人 Mather 于 1934 年最早提出的，此后，特别是五十年代以后，许多国家的研究 者对此进行了大量的研究到目前为止，小孔法已在美国、欧洲等许多国家采用，在我国也有许多 生产和研究单位采用美国ASTM于1981年正式颁布了 E837-81标准《小孔法测量残余应力标准试 验方法，1985年、1989年、1995 年、1999 年、2001 年和 2008年又作了六次修改与补充。

1） 基本原理焊件内部存在残余应力场，在应力场内任意处钻一直径和深度的盲孔后，该处的金属连同其中 的残余应力即被释放，同时原有的残余应力也失去平衡此时盲孔周围将产生一定量的释放应变， 其大小与被释放的应力是相应的测出这种释放应变，即可利用相应的计算公式（柯西公式）反求 测点处的原始残余应力2） 测量前准备 释放系数标定、附加加工应变的测定、钻孔设备的检查和调整，包括应变仪的使用3）应变花的处理和粘贴 待测构件表面打磨、擦洗检查应变花、用新鲜胶水粘贴应变花（两个互相垂直的应变片分别平 行和垂直焊缝方向）4） 钻小孔、读应变应变片贴好并固化后连接应变仪，钻①1.5X2.0mm小孔，钻后10秒即可从应变仪上读取释放应 变5） 计算残余应力按柯西公式或标定公式计算残余应力的主应力和方向目前钻孔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 钻孔应变法》国家标准征求意见稿草案2.3 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，可以直接借鉴的现成的国外标准和国内标准有：ASTM E837-08 “ Determining residual stresses by the hole drilling strain gage method”NPL measurement good practice guide 53 “ The measurement of residual stresses by the incremental hole drilling technique”Techinical Note TN -503-5, Measurement of residual stresses by the hole drilling strain gauge method, Vishay Measurements Group, 1993SL 499-2012 “钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法”CB 3395-92 “残余应力测试方法 钻孔应变释放法”ASTM E837-08 采用高速钻逐层钻孔逐层测量应变的方法测定各向同性线弹性材料近表面的残余 应力，适用于平面应力，且应力梯度较小的情形。

MG TN-503-5与之内容相似，为企业标准SL 499-2012等同采用ASTM E837-08的主题内容，但在附录中增加了来自CB 3395-92中“钻孔 偏心的修正”和“孔边塑性的修正”CB 3395-92采用低速钻和事先标定常数一次钻孔最终测量应变的方法测定金属材料近表面的残 余应力，适合国内大部分单位的实际情况考虑到我国的实际，本标准将按照钻孔速度分为二大部分，即二大方法，高速钻方法和低速钻 方法高速钻的方法等同采用ASTM E837-08的主体内容，低速钻的方法则借用CB 3395-92采用低速 钻和事先标定常数一次钻孔最终测量应变扣除加工应变的方法测定金属材料近表面的残余应力，但 内容会有修改考虑到钻孔应变法测量结果的数据波动度和重复性没有其它物理测试量好的现实，最后吸收 NPL measurement good practice guide 53 “ The measurement of residual stresses by the incremental hole drilling technique ”中不确定度的分析内容作为资料性附录供标准使用者参 考同时也吸收由英国国家物理实验室组织20家单位开展钻孔应变法和X-射线法XRD的实验室间比对 的结果作为资料性附录供标准使用者参考。

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2.4 关于验证试验的说明高速钻方法由于没有加工应变是最理想钻孔测量残余应力的方法，因设备比较昂贵以及复杂现 场测试困难而在国内没有普及国内工程上使用比较多的钻孔测量残余应力的方法还是低速钻的方 法比较普遍尽管大量的研究和工程实践表明，低速钻测量残余应力的方法也是能满足工程实际需要的，但 作为标准制订仍然有必要验证低速钻测量残余应力的方法的结果与其它方法的一致性那如何来验 证呢？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因此在本标准的制订过程中，选择焊接试板测试对象，开展了钻孔应变法与压痕应变法与X射线 衍射法之间的验证试验2.4.1 实验材料与测量设备选取相同焊接试板进行残余应力测试对比试验，试板材料14MnNbq,屈服强度380MPa，抗拉强 度520MPa尺寸650X300X24mm。

采用WQ-1焊丝+SJ101焊剂，焊接热输入为36KJ/cm, X型坡口 熔敷金属的力学性能 R =470MPa[1]el盲孔法应力测量采用汉中产三向应变花BE120-2CA-K，兰州产CCZ-2型测钻仪，钻孔1.5mmX 2.0mm武钢研究院、中科院金属研究所和上海出入境检验检疫局三家单位分别采用盲孔法对同一块 焊接试板进行了残余应力测试，测试点分布如图1 所示为对比三种残余应力测试方法，武钢研究院又分别采用压痕法和X射线衍射法对所选取的焊接试 板进行了残余应力测试，测试点分布如图1 所示压痕法应力测量采用汉中产双向应变片BE120-2BA，测试沿焊缝方向的纵向残余应力和垂直焊缝方向的横向残余应力，选用测量设备为中科院金属研究所研制的 KJS-2 型压痕应力测试仪压痕打 击装置形成压痕后，测试仪自动读取纵向残余应变和纵向残余应变的应变增量，再按测试仪面板上 的“应力”键，仪器内置程序自动进行纵向残余应力和横向残余应力的计算X 射线衍射法测量选用测量设备为爱特斯研究所生产的 X 射线衍射分析仪，测试纵向残余应力， 测试前必须对表面进行清理和电解抛光测试过程参照国家标准 GB/T 7704-2008《无损检测 X 射线 应力测定方法》进行［2］。

300口—Eh 由—300527口26 口^900/05 43 2 12 22 2 2275325图 1 残余应力测试点分布图2.4.2试验结果与分析图 1 中测试点 1 至点 5、点 6 至点 10 以及电 11 至点 15 分别为中科院金属研究所、上海出入境 检验检疫局和武钢研究院三家单位采用盲孔法测试残余应力的测试点通过应变片采集得到纵向和 横向的释放应变，扣除相应的钻削加工应变，得到真实应变，再依据盲孔法计算公式求得沿纵向和 横向的残余应力［3］盲孔法计算公式如下［4］：◎二 k (As + k As ) (1)x 1 x 2 yQ 二 k (As + k As ) (2)y 1 y 2 x式中：q、q分别为纵向残余应力和横向残余应力，As和As分别为释放应变As扣除加工应变x y x yAsm后得到的纵向和横向的真实应变测量系数k= -1.48, k2=0.37钻削加工应变As和释放应变As m 1 2 m的关系： As =0.39As-13m依据公式(1)和公式(2)得到三家单位残余应力测试结果如表1 至表 3 所示为研究纵向残 余应力和横向残余应力随测试点离焊缝距离的分布规律，绘制三家单位测试残余应力 qx、 qy 与测点 xy 离焊缝中心距离曲线图，如图2和图3所示。

观察图2和图3可以发现三家单位测试结果都存在同 样的规律：沿焊缝方向纵向残余应力Q在焊缝中心位置最大，测量值基本接近材料的屈服强度，在 焊缝及热影响区纵向残余应力Q为拉应力，母材部分纵向残余应力Q为压应力，且随着测试点离焊X X缝中心距离变远，纵向残余应力q基本呈线性减小；垂直焊缝方向的横向残余应力q在焊缝中心位 xy置最大，基本表现为拉应力，热影响区及母材位置分布其它 4 个测试点均为压应力，且横向残余应 力测试值变化幅度较小，无明显规律三家单位采用盲孔法测试残余应力的变化规律存在很好的一致性但各测试点残余应力测量值第 4 页 共 9 页存在一定的偏差，峰值应力最大相差113 MPa，相差27%这与诸多因素有关，譬如测试点打磨程度的不同、钻孔深度的不同，局部组织不均匀等等同一块试板上没有完全相同的测试点，三家单 位测试结果的不同，工程上是可以接受的表 1 中科院金属所盲孔法测试残余应力结果测点 编号测点焊 缝中心 距离/mm16324533241650释放应变真实应变残余应力/MPaAs'xAs'y86-17-25-8-19763-338149-552179Asx。