殘余應(yīng)力測量全釋放應(yīng)變法編制說明

1、金屬材料殘余應(yīng)力測定全釋放應(yīng)變法國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明1工作簡況11任務(wù)來源根據(jù)全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會鋼標(biāo)委201129號文件“關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2011年第二批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目計劃的通知”所下達(dá)的國家標(biāo)準(zhǔn)修訂計劃，金屬材料殘余應(yīng)力測定 全釋放應(yīng)變法標(biāo)準(zhǔn)列入國家標(biāo)準(zhǔn)修訂計劃，計劃編號為20111034-T-605。該標(biāo)準(zhǔn)由武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司、中國科學(xué)院金屬研究所和上海出入境檢驗(yàn)檢疫局共同負(fù)責(zé)起草。1.2起草過程殘余應(yīng)力的存在往往對構(gòu)件（特別是焊接產(chǎn)品）的使用帶來重大影響，如加速疲勞斷裂，促進(jìn)應(yīng) 力腐蝕開裂等，了解殘余應(yīng)力大小和分布的主要方法就是應(yīng)力的測定。可以把現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測量方 法

2、分成三大類：無損的物性法這一類方法利用材料在應(yīng)力作用下物理性能發(fā)生變化的特點(diǎn)來測定殘余應(yīng)力。例如X射線衍射法和中子衍射法利用材料的晶格常數(shù)在應(yīng)力作用下發(fā)生變化形成不同的衍射峰來測定殘余 應(yīng)力；磁性法利用材料在應(yīng)力誘導(dǎo)下產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)或Baukhausen噪聲來測定殘余應(yīng)力。這類方法的特點(diǎn)是非破壞性和對材料組織結(jié)構(gòu)的過分依賴。破壞或半破壞性的應(yīng)力釋放法利用切割或鉆（套）孔使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力得到全部或部分釋放，根據(jù)釋放應(yīng)變和釋放方法求出相應(yīng)的殘余應(yīng)力大小。此類方法多數(shù)利用電阻應(yīng)變片作為測量敏感元 件，測定精度較高。例如全釋放應(yīng)變法將構(gòu)件徹底切割破壞，使應(yīng)力得以全部釋放，對于應(yīng)力梯度 不大的情況，

3、可以獲得十分精確的結(jié)果；盲孔法屬于半破壞性方法，它要在構(gòu)件表面鉆一盲孔（一 般1.5 X2.0mm，在工程上應(yīng)用較廣。這類方法的特點(diǎn)是破壞性和不受材料組織結(jié)構(gòu)控制，對大應(yīng)力 梯度場的測量有誤差。無損的（壓痕）應(yīng)力疊加法此類方法和應(yīng)力釋放法相反，采用特定壓頭壓入材料表面，通過壓痕獲得附加應(yīng)力場，再根據(jù)附加應(yīng)力場誘導(dǎo)的位移場變化信息來獲得殘余應(yīng)力，包括硬度法、納 米壓痕法和壓痕應(yīng)變法。但硬度法和納米壓痕法目前只能定性測量，而壓痕應(yīng)變法是其中最具現(xiàn)場 應(yīng)用價值的方法，該方法的特點(diǎn)是非破壞性、方便性和準(zhǔn)確性。全釋放應(yīng)變法始于一個世紀(jì)前。1888年俄國的Kalakoutsky最早報道了測量縱向殘余應(yīng)力的

4、切槽法（Slitti ng），1950'初，美國的Treut ing等人將之稱為截面解剖法（Sectio ning method）。目 前全釋放應(yīng)變法已經(jīng)在國內(nèi)外的鋼鐵、水電、制鋁、電力等行業(yè)得到大量應(yīng)用，已被科研院 所、高校和生產(chǎn)企業(yè)所廣泛接受。標(biāo)準(zhǔn)起草單位通過對國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了廣泛調(diào)研127，于2012年8月提出金屬材料殘余應(yīng)力測定全釋放應(yīng)變法國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和相應(yīng)的編制說明，并向有關(guān)生 產(chǎn)、使用單位及研究院所征求意見?，F(xiàn)就該標(biāo)準(zhǔn)的編制情況說明如下。2制定本標(biāo)準(zhǔn)的原則查閱了大量的國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)有可以直接借鑒的現(xiàn)成的國外標(biāo)準(zhǔn)和 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。但也查閱一

5、些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以參考，例如在鐵路鋼軌和鋼管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中部分章節(jié)就 涉及到釋放應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力的內(nèi)容。在相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，釋放應(yīng)變法多測量簡單的單向殘余應(yīng)力，但在大型工程檢測和科研項(xiàng) 目研究中經(jīng)常測量平面雙向殘余應(yīng)力，也有測量三向殘余應(yīng)力的?？紤]到三向殘余應(yīng)力的測量 費(fèi)工費(fèi)時，周期長，一般單位涉及少。因此，本標(biāo)準(zhǔn)草案在正文中詳細(xì)列出了單向殘余應(yīng)力和 雙向殘余應(yīng)力的測量過程和計算公式作為必須要求，而僅在附錄中提出三向殘余應(yīng)力的測量過 程和計算公式，供有興趣的單位參考。本標(biāo)準(zhǔn)草案的標(biāo)題形式、整體結(jié)構(gòu)、層次劃分、編寫方法、術(shù)語與符號等技術(shù)內(nèi)容盡可能 與GB/T 24179-2009金屬材料殘余應(yīng)力測定壓

6、痕應(yīng)變法一致。3標(biāo)準(zhǔn)草案中重點(diǎn)技術(shù)內(nèi)容的說明3.1在全釋放應(yīng)變法的適用范圍中，說明了該方法所測得的殘余應(yīng)力只是一定體積材料內(nèi)的平均值， 因而對于表層以下應(yīng)力梯度特別大的情況（如涂層材料和機(jī)加表面），測量所得的結(jié)果與實(shí)際相比會偏小，這在第8節(jié)中有相應(yīng)說明。另外，采用該方法測量殘余應(yīng)力，前提是知道材料的彈性模量和泊桑比。3.2壓痕應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力用的應(yīng)變記錄設(shè)備無特殊要求，只要能滿足應(yīng)變儀的最低行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即 可，因?yàn)榧词棺x取應(yīng)變數(shù)值的過程較長而產(chǎn)生漂移，產(chǎn)生10;的誤差也不會引起超過 2MPa的殘余應(yīng)力變化。3.3在全釋放應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力過程中，測量表面的準(zhǔn)備和應(yīng)變片的粘貼等環(huán)節(jié)十分重要，需 要

7、按有關(guān)要求仔細(xì)而謹(jǐn)慎操作。對于應(yīng)變片粘貼時間，一般要求1-2天，以保證應(yīng)變片的粘貼充分干燥且強(qiáng)度達(dá)到最大。同時，為了避免切割過程中升溫造成初始應(yīng)變的漂移，適當(dāng)溫度的干 燥是必要的。但是，干燥溫度不宜過高，否則會使應(yīng)變片粘貼失效。3.4試件的切割過程需要特別小心，一旦損傷應(yīng)變片，測點(diǎn)將不可恢復(fù)。切割方法有很多種，如 自動帶鋸、手工鋸切、線切割、專業(yè)套鉆工具等，只有能安全有效地取下包含應(yīng)變片的材料單 元，即可獲得應(yīng)變釋放的數(shù)據(jù)。3.5測量過程中采用單向、雙向還是三向應(yīng)變片，要由客戶要求或殘余應(yīng)力分布性質(zhì)決定。另 外，檢測人員的知識和經(jīng)驗(yàn)也很重要。確定的單向應(yīng)力場，如螺桿等，采用單向應(yīng)變片即可。未知

8、的應(yīng)力場，如要求解主應(yīng)力大小，必須要用三向應(yīng)變片。而求解確定方向的殘余應(yīng)力，也 可采用雙向應(yīng)變片，即使此時主應(yīng)力方向未知。4幾個驗(yàn)證試驗(yàn)的說明釋放應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力遵循的原理最簡單，是胡克定律，所以它也就自然成為一種驗(yàn)證其它殘余應(yīng)力測試方法，如小孔法、壓痕應(yīng)變法的基石。那如何來驗(yàn)證釋放應(yīng)變法呢？雖然目前各種測量方法均有一定的誤差，但是采用某些有標(biāo)準(zhǔn)可依的方法進(jìn)行相互驗(yàn)證還是可以說明問題的，如X射線衍射法和壓痕應(yīng)變法。在材料無織構(gòu)、晶粒不是過分粗大的情況下，X射線法應(yīng)是驗(yàn)證釋放應(yīng)變法測量結(jié)果較為合適的手段。在本標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中，選擇重軌、鋼板樁、焊接試板等測試對象，開展了全釋放應(yīng)變法與局部釋放法

9、（部分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法）、全釋放應(yīng)變法與X射線衍射法、全釋放應(yīng)變法和壓痕應(yīng)變法之間的驗(yàn)證試驗(yàn)。1）重軌全釋放應(yīng)變法與局部釋放法的驗(yàn)證試驗(yàn)以冷矯后的U75V重軌為研究對象，采用 面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行測試對比，試樣長BZ2206的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變片選用的是應(yīng)變測量采用型號為 寸6 x 6mm的雙向應(yīng)變片。全釋放法的測試過程：首先在1m長重軌試樣中間的預(yù)設(shè)測點(diǎn)位置表面用布砂輪打磨平整，再 用200#砂紙手工打磨，完成后用酒精清理干凈， 再用502膠水將應(yīng)變片粘貼在相應(yīng)的測點(diǎn)位置（見 圖1）。待應(yīng)變片干透后用應(yīng)變儀測量每個測點(diǎn)的 初始應(yīng)變讀數(shù)，然后按照標(biāo)準(zhǔn) TB/T 2344-2003規(guī)定

10、的局部釋放法進(jìn)行切割并測量橫截面試樣上應(yīng)變 片的讀數(shù)（見圖2）,最后采用線切割將每個測點(diǎn) 的應(yīng)變片連同底下的材料以尺寸10x 10x 10mm大小取下來測量各小塊試樣（見圖3）的應(yīng)變片讀TB/T 2344-20031m。推薦的切條釋放法和全釋放法對其外表BA120-1BA（11）-ZKY ，基底尺圖1測點(diǎn)布置圖數(shù)。通過前后應(yīng)變片讀數(shù)之差就可以得到釋放的 應(yīng)變量，再根據(jù)相應(yīng)公式計算重軌上各測點(diǎn)釋放 的殘余應(yīng)力。第 3頁共9頁圖2切取的橫截面試樣圖3線切割取下的小塊試樣根據(jù)全釋放應(yīng)變法的原理，當(dāng)切取的試樣足夠小，以致其上的宏觀殘余應(yīng)力分布梯度可以忽略 不計時，則宏觀殘余應(yīng)力就會得到充分釋放，通過檢

11、測其上應(yīng)變片釋放的應(yīng)變就可以求取釋放前的 殘余應(yīng)力了。由于粘貼的應(yīng)變片有一定的大小尺寸，為了不對其造成破壞，本文中切割的小試樣尺 寸達(dá)到10X 10X 10mm的大小，可以基本上認(rèn)為其上的殘余應(yīng)力已經(jīng)得到了完全的釋放。下表1是重軌表面112號測點(diǎn)位置檢測得到的釋放應(yīng)變及根據(jù)釋放應(yīng)變計算的殘余應(yīng)力。表1殘余應(yīng)力檢測結(jié)果測點(diǎn)位置切條釋放法完全釋放法釋放應(yīng)變/卩£殘余應(yīng)力/MPa釋放應(yīng)變/卩&殘余應(yīng)力/MPa縱向橫向縱向橫向縱向橫向縱向橫向1-104593216-19-773-156187882-1107180229-37-801143172223-10727222-1-853-1

12、822061004-269 -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下面圖4和圖5分別是重軌表面縱/橫向殘余應(yīng)力在不同部位的分布情況。由圖4可以看出，全釋放法和切條釋放法檢測的重軌表面縱向殘余應(yīng)力分布情況基本一致

13、，數(shù)值上的差異也不是很大。由圖5中可以看出，全釋放法檢測的重軌表面橫向殘余應(yīng)力在軌底偏離中間20mm左右位置、軌底上表面中間偏上位置、軌腰中間位置和軌頭頂部位置都出現(xiàn)了極值情況，除了軌腰中間位置是壓應(yīng) 力外，其他部位都是拉應(yīng)力。由于切條釋放法對重軌表面橫向殘余應(yīng)力未進(jìn)行有效釋放，同全釋放 相比所檢測的橫向殘余應(yīng)力相似性較差。第4頁共9頁2502005010050-50-100-150-200-250-全釋放釋放法軌底 |軌底上| 軌腰 | 軌頭位置/価圖4重軌表面縱向殘余應(yīng)力的分布情況圖5重軌表面橫向殘余應(yīng)力的分布情況第 #頁共9頁第 #頁共9頁從生產(chǎn)控制的便捷性和經(jīng)濟(jì)性、使用的安全性綜合考慮

14、，TB/T 2344-2003、TB/T 2635-2004規(guī)定切條釋放法檢測重軌表面縱向殘余應(yīng)力是否合格的型式檢驗(yàn)方法還是可以接受的。2）重軌全釋放應(yīng)變法與 X射線衍射法的驗(yàn)證試驗(yàn)全釋放法殘余應(yīng)力檢測使用線切割取樣的方法，取樣部位在原先采用X射線衍射法測試完成的位置，其余測試過程同上，測試結(jié)果如下表2。表2全釋放法測試結(jié)果測點(diǎn)編號釋放應(yīng)變/卩£殘余應(yīng)力/MPa縱向橫向縱向橫向1-541911-12-2331852123-364717894-764323152-25-1024622191-726-1014497197-447-1071220229238-847147183249-59

15、4185123-210-5021061071011-11524252第 7頁共9頁F圖6是全釋放應(yīng)變法測量得到的縱向和橫向殘余應(yīng)力沿寬度方向的分布情況。下圖7是全釋放應(yīng)變法得到的縱向殘余應(yīng)力同X射線衍射法得到的縱向殘余應(yīng)力結(jié)果比較。250150*縱向殘余應(yīng)力 橫向殘余應(yīng)力力應(yīng)余殘10050I£"I 0-80-60-40-20-5020406080-100橫向位置/mm圖6殘余應(yīng)力分布（全釋放法）250衍射法,釋放法200j:&150100-50-I1110-80-60-40-20020406080橫向位置/mm圖7釋放法和X射線衍射法測量結(jié)果的比較通過對重軌表面縱向

16、殘余應(yīng)力采用全釋放應(yīng)變法和X射線衍射法的檢測分析，得到如下結(jié)論：（1） 分布趨勢上，全釋放法得到的縱向殘余應(yīng)力和X射線衍射法得到的殘余拉應(yīng)力的基本一致，只是在應(yīng)力大小上存在一定的差異。在軌底中間40mm寬度范圍內(nèi)釋放法得到的縱向拉應(yīng)力大于X射線衍射法測量結(jié)果，中間最大相差 50MPa左右，在兩邊X射線衍射法得到的縱向拉應(yīng)力大于 釋放法的結(jié)果，最大相差 70MPa左右。（2）在應(yīng)力大小上存在一定的差異的根本原因在于測量原理上的不同。由于重軌橫截面形狀復(fù)雜，軋制和冷卻后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布很復(fù)雜，不同表面部位及不同深度都存在應(yīng)力梯度，X射線衍射法測量的是表層2mm面積區(qū)內(nèi)的平均殘余應(yīng)力（表層下幾個微

17、米深度范圍），而釋放法測量的差力應(yīng)余殘向縱是體積殘余應(yīng)力（殘余應(yīng)力分布梯度是主要影響因素）第 9頁共9頁(3)為此，在本標(biāo)準(zhǔn)草案中第1節(jié)提出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于各種金屬材料一定體積單元內(nèi)的平均宏觀殘余應(yīng)力的測定”3)鋼板樁全釋放應(yīng)變法、局部釋放法與X射線衍射法的驗(yàn)證試驗(yàn)以WBZ500鋼板樁為研究對象，采用TB/T 2344-2003推薦的切條釋放法和全釋放法對其外表面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行測試對比。試樣長1.2m，寬0.4m，高度0.17m，厚度15.5mm。應(yīng)變測量采用型號為 BZ2206的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變片選用的是BA120-1BA(11)-ZKY ，基底尺寸 6 X 6mm的雙向應(yīng)變片。測

18、試方法參考重軌殘余應(yīng)力測量。測量了1/2長度位置和1/4長度位置鋼板樁的外表面殘余應(yīng)力。測試結(jié)果如下圖所示。編號1-9號為1/2長度位置垂直于長度方向分布的各測試點(diǎn)：1-2號位于左腿，3號位于左邊角，4-6號位于底部腹板，7號位于右邊角，8-9號位于右腿。編號 10- 18號為1/4長度位置垂直于長度方向分布的各測試點(diǎn)：10-11號位于左腿，12號位于左邊角，13-15號位于底部腹板，16號位于右邊角，17-18號位于右腿。§erLQIaunrseR第 #頁共9頁(3)為此，在本標(biāo)準(zhǔn)草案中第1節(jié)提出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于各種金屬材料一定體積單元內(nèi)的平均宏第 #頁共9頁(3)為此，在本標(biāo)準(zhǔn)草案

19、中第1節(jié)提出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于各種金屬材料一定體積單元內(nèi)的平均宏8鋼板樁1/2長度位置釋放法測量結(jié)杲的比較laprsselLslaualseR250 n200 -15010050-0-50-100-150-200-250 _|1111111l101112131415161718Location Number Lon gitud inal Directi on-Strip 、一Tra nsverse Directi on-StripLon gitud inal Directi on-F ull、一 Tra nsverse Directi on-Full第 #頁共9頁(3)為此，在本標(biāo)準(zhǔn)草案中第1節(jié)提

20、出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于各種金屬材料一定體積單元內(nèi)的平均宏第 #頁共9頁(3)為此，在本標(biāo)準(zhǔn)草案中第1節(jié)提出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于各種金屬材料一定體積單元內(nèi)的平均宏1/2長度位置和1/4圖9鋼板樁1/4長度位置釋放法測量結(jié)果的比較結(jié)果表明，兩個位置上中間腹板處縱向和橫向應(yīng)力梯度都較大。在邊部上，第 #頁共9頁長度位置橫縱呈現(xiàn)相反趨勢，1/2長度位置縱向?yàn)閴簯?yīng)力，橫向?yàn)槔瓚?yīng)力，1/4長度位置縱向?yàn)槔瓚?yīng)力，橫向?yàn)閴簯?yīng)力。其它部分主要應(yīng)力變化趨勢較為一致。另外，值得注意的是各位置上，局部應(yīng) 力釋放的切條法和完全釋放法之間總體趨勢一致，尤其在橫向應(yīng)力上存在一定差距，其原因在于切 條法中長度方向的應(yīng)力已絕大部分得到釋放

21、，而橫向應(yīng)力仍未完全釋放，因此，在切條后再進(jìn)行完 全分解后對橫向應(yīng)力的影響較大。11111Left LegBottom SternumRight Leg125100 -75 J50 :25 J0 :-25 -50 1-75-100 J-125 -150 -175 J-200 -圖10鋼板樁釋放法和 X射線衍射法測量結(jié)果的比較另外，采用Proto公司IXRD型殘余應(yīng)力測試儀對鋼板樁相應(yīng)點(diǎn)上的表面縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行了測 試，圖10中結(jié)果表明，全釋放方法和X射線方法的測試結(jié)果較為一致，符合殘余應(yīng)力分布規(guī)律。4)Q345焊接試板全釋放應(yīng)變法與壓痕應(yīng)變法的驗(yàn)證試驗(yàn)雖然一般情況下，由于全釋放應(yīng)變法的測試原理

22、簡單可靠，精度較高，經(jīng)常將全釋放應(yīng)變 法作為其它測量方法的對比基礎(chǔ)，但是在應(yīng)力梯度較大的情況下，由于它測定的應(yīng)力反映的塊體平均值，和其它一些表面局部應(yīng)力測試 方法還是有一定區(qū)別的，區(qū)別大小取決于 應(yīng)力梯度的情況。圖11為采用全釋放和壓 痕應(yīng)變法的對比結(jié)果，測量試件是在尺寸為400 500 28mm的16Mn焊接鋼板上進(jìn) 行的。可見，兩種方法的符合性較好，都 符合實(shí)際的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，只是由于 橫向應(yīng)力q在厚度截面上的高度不均勻 性，使得它現(xiàn)在焊縫附近的表面應(yīng)力測量 結(jié)果偏低。參考文獻(xiàn)1 N.Tebedge, G.Alpsten and L.Tall ， Residual-stress mea

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