《鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力評價方法》

YS/TXXXX-XXXX鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力評價方法本文件描述了鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力評價的方法。本文件適用于采用X射線衍射法、層削法對6.00mm～200.00mm厚度鋁合金板材（以下簡稱“板材”）進行殘余應(yīng)力測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T3880.3一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第3部分：尺寸偏差GB/T7704無損檢測X射線應(yīng)力測定方法GB/T8005.1鋁及鋁合金術(shù)語第1部分：產(chǎn)品及加工處理工藝GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定GB/TXXXX航空用鋁合金板材通用技術(shù)規(guī)范JJF0011有色金屬材料用多維探測器X射線衍射儀校準規(guī)范T/CNIAXXXX鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試方法層削法3術(shù)語和定義GB/T8005.1界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4X射線衍射法4.1方法概述鋁合金板材宏觀殘余應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變可以通過相應(yīng)區(qū)域里晶格應(yīng)變進行統(tǒng)計獲得，依據(jù)X射線衍射原理測定晶格應(yīng)變可以計算殘余應(yīng)力，選擇sin2ψ法和cosα法對板材表面殘余應(yīng)力進行矩陣式測試并進行數(shù)據(jù)插值，可獲得板材全表面殘余應(yīng)力。該方法用于非包鋁板材殘余應(yīng)力測試。4.2儀器設(shè)備殘余應(yīng)力測試儀，應(yīng)按JJF0011的規(guī)定檢定，滿足如下要求的兩種儀器均可使用：——cosα法殘余應(yīng)力測試儀：配備Cr靶射線源和二維探測器?！猻in2ψ法殘余應(yīng)力測試儀：符合GB/T7704規(guī)定。4.3樣品4.3.1樣品表面不準許有裂紋、起皮、非金屬壓入物、腐蝕、腐蝕斑點、滑移線及處理不掉的油痕。4.3.2樣品表面不準許機加工。4.4試驗步驟警示——X射線衍射儀對測試人員有X射線輻照風(fēng)險，測試人員應(yīng)具備X射線衍射法基礎(chǔ)知識，測試時應(yīng)使用隔離罩或保持安全距離。24.4.1樣品不平度測量將樣品放置在安全且便于測試的區(qū)域，宜放置在平臺上，放置在平臺上的樣品不平度應(yīng)符合GB/TXXXX的規(guī)定，當(dāng)樣品不在平臺上檢測時，其縱向不平度按GB/T3880.3的方法測試，測試結(jié)果應(yīng)符合表2的規(guī)表2縱向不平度縱向不平度d/L%>20.00～40.00>40.00～60.00>60.00～90.00>90.00～140.00>140.00～200.004.4.2確定測試區(qū)域確定測試區(qū)域，如圖1所示，標注測試區(qū)域邊界線及坐標軸方向。）；d——測試區(qū)域邊界與樣品邊部的間距；d≥2t。圖1測試區(qū)域示意圖4.4.3測點確定4.4.3.1按圖2標記測試點，沿L方向按表3規(guī)定繪制T向分布線，沿T方向按表4規(guī)定繪制L向分布線，對樣品縱向和橫向畫線，縱線或橫線應(yīng)能均分縱向表面或橫向表面，縱線和橫線的交點即為測點。3YS/TXXXX-XXXX圖2測點分布示意圖表3確定T向分布線>500～2000>2000～4000>4000～6000>6000～8000>8000表4確定L向分布線>500～1000>1000～1500>1500～2000>2000～2500>25004.4.3.2測點半徑20mm范圍內(nèi)不宜有劃痕，若有劃痕時，在距劃痕20mm處且距測點最近位置重新選擇測點。4.4.4測試4.4.4.1測試前cosα法殘余應(yīng)力測試儀按附錄A的規(guī)定進行無應(yīng)力標定，sin2ψ法殘余應(yīng)力測試儀按GB/T7704的規(guī)定進行無應(yīng)力標定。4.4.4.2標定后由儀器按照選定的測量條件和參數(shù)對所有測點自動完成測量：——采用cosα法時，推薦選擇Crkα射線源，衍射晶面{311}，傾轉(zhuǎn)角30°,入射距離40mm。X射線光斑中心對準測試點中心，樣品待測應(yīng)力方向平行于儀器的應(yīng)力方向平面?！捎胹in2ψ法時條件和參數(shù)應(yīng)符合GB/T7704的規(guī)定，推薦選擇Crkα射線源，衍射晶面{311}。4.4.4.3測試過程中樣品應(yīng)保持靜止，保證X射線管電壓和電流的穩(wěn)定性，并保證X射線光路暢通。4.5試驗數(shù)據(jù)處理4.5.1將各測點測試結(jié)果形成矩陣數(shù)據(jù)，并進行插值獲得全表面殘余應(yīng)力分布結(jié)果，插值函數(shù)宜選擇雙線性插值（計算方法見附錄B），插值節(jié)點數(shù)宜為原始測試數(shù)據(jù)點數(shù)10倍以上。4.5.2取全表面殘余應(yīng)力分布結(jié)果的最大值作為樣品的殘余應(yīng)力最大值σmax。4.5.3按公式（1）計算樣品的殘余應(yīng)力平均值σave，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按GB/T8170的規(guī)定進行。σave=…………（1）式中：i——第i個測點的殘余應(yīng)力測試值，單位為兆帕（MPa）；p——測點總數(shù)。4.5.4按公式（2）計算樣品的殘余應(yīng)力標準差σstd，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按GB/T8170的規(guī)定進td=σ=1σi?σave2…………（2）p4.5.5采用繪圖軟件將插值結(jié)果進行處理，輸入產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）中殘余應(yīng)力控制指標要求，繪制殘余應(yīng)力分布云圖。44.6結(jié)果表示試驗結(jié)果以殘余應(yīng)力分布云圖表示，云圖上應(yīng)注明超標區(qū)域、達標區(qū)域、殘余應(yīng)力最大值σmax、殘余應(yīng)力平均值σave和標準差σstd。附錄C給出了7050T7451板材全表面殘余應(yīng)力測試示例。4.7試驗報告試驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：a)樣品名稱；b)牌號、狀態(tài)；c)尺寸規(guī)格；d)批次；e)測點分布；f)試驗環(huán)境溫度；g)試驗儀器信息；h)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果；i)殘余應(yīng)力云圖；j)試驗中觀察到的異常現(xiàn)象；k)本文件編號；l)試驗人員；m)試驗日期。5層削法5.1方法概述沿厚度方向等間距逐層銑削加工試樣，測試每次銑削后剩余材料的撓度，根據(jù)材料的彈性模量、泊松比、撓度、支撐距離、厚度等建立的公式，計算出試樣及板材不同厚度下的殘余應(yīng)力，給出試樣不同加工厚度對應(yīng)的變形撓度曲線以及試樣和板材內(nèi)部不同厚度下的應(yīng)力分布曲線。根據(jù)殘余應(yīng)力是否沿厚度方向?qū)ΨQ分布采用不同的層削厚度：——當(dāng)假定殘余應(yīng)力沿厚度方向?qū)ΨQ分布時，銑削至一半厚度結(jié)束；——當(dāng)假定殘余應(yīng)力沿厚度方向不對稱分布時，銑削至一半厚度后繼續(xù)進行層削，直至試樣無法加工。5.2儀器設(shè)備5.2.1層削法殘余應(yīng)力測試裝置由底座、撓度測試千分表、支撐柱、側(cè)邊限位塊構(gòu)成，見圖3。儀器應(yīng)滿足下列條件：——測量精度：千分表精度為±0.001mm；——剛度：儀器材料彈性模量應(yīng)不小于200GPa，宜選擇不銹鋼或模具鋼；——支撐距離：當(dāng)產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，支撐距離應(yīng)符合產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）的規(guī)定，無規(guī)定時支撐距離為360mm。5YS/TXXXX-XXXX圖3層削法殘余應(yīng)力測試裝置示例5.2.2游標卡尺：分辨力不低于0.02mm。5.2.3銑床：加工精度不低于0.02mm，盤銑刀直徑宜為φ100mm。5.3樣品與試樣5.3.1樣品厚度宜不小于20mm。5.3.2當(dāng)產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，樣坯取樣位置、尺寸、取向及數(shù)量應(yīng)符合產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）的規(guī)定。產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）無規(guī)定時，應(yīng)符合圖4的規(guī)定，宜在樣品端部T向中心線處取1組樣坯（L向1個、T向1個），樣坯的尺寸應(yīng)符合表5的規(guī)定。圖4樣坯取樣示意圖表5樣坯尺寸mmLTStt5.3.3當(dāng)產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，試樣尺寸、沉頭孔加工位置和尺寸應(yīng)符合產(chǎn)品標準或訂貨單（或合同）的規(guī)定。無規(guī)定時，將樣坯加工成尺寸為400mm×50mm×t0的試樣，加工過程試樣溫度不應(yīng)有較大波動。在試樣表面沿S向加工沉頭孔，沉頭孔加工位置見圖5，加工尺寸應(yīng)符合表6的規(guī)定，L向和T向試樣的沉頭孔加工表面為樣品同一表面。5.3.4試樣宜保留樣品的原始上下表面，側(cè)面進行銑削加工。6圖5試樣尺寸示意圖表6沉頭孔尺寸試樣厚度t沉頭孔上端直徑D沉頭孔下端直徑D沉頭孔下端深度H9>50～2005.4試驗步驟警示——試驗過程中有試樣放置不穩(wěn)造成手部和腳部砸傷風(fēng)險。測試人員在操作過程中應(yīng)注意防范機械損傷。5.4.1確定試樣厚度檢測線并標記，宜在試樣長向中間位置處（見圖6）標記檢測線。在檢測線處測試試樣原始厚度t0。圖6試樣厚度測量位置示意圖5.4.2將試樣放置在層削法殘余應(yīng)力測試裝置上，層削加工面朝上，標記厚度檢測線的面朝向測試人員，試樣基準面中心點（即撓度測點）接觸千分表指針，讀取千分表示數(shù)。5.4.3按5.4.2重新放置試樣并重復(fù)測試，直至3次讀數(shù)偏差在±0.001mm內(nèi)清零千分表。7YS/TXXXX-XXXX5.4.4將試樣放置在銑床加工臺上，層削加工面朝上，用內(nèi)六角螺栓和T型螺母固定裝緊（或按T/CNIAXXXX《鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試方法層削法》規(guī)定的方法固定試樣），層削加工面應(yīng)無明顯翹曲。5.4.5銑刀轉(zhuǎn)速宜為3000rpm、進給速度宜為500mm/min。按照先粗加工后精加工的順序?qū)υ嚇舆M行銑削，根據(jù)每層銑削厚度，分配適宜的粗加工進刀量和精加工余量，粗加工單次進刀量不超過2mm，精加工余量不小于0.25mm。L向和T向試樣的加工參數(shù)和進刀量分配相同，試樣銑削層數(shù)和每層銑削厚度符合以下要求：——當(dāng)假定試樣殘余應(yīng)力沿厚度方向?qū)ΨQ分布時，銑削至t0/2，銑削層數(shù)為10層[當(dāng)訂貨單(或合同)對銑削層數(shù)有規(guī)定時按訂貨單(或合同)的規(guī)定執(zhí)行]，每次銑削層厚度為t0/20；——當(dāng)假定試樣殘余應(yīng)力沿厚度方向不對稱分布時，銑削至t0/2后可繼續(xù)以每次t0/20厚度層削，直至試樣無法加工。5.4.6加工第一層后將試樣從銑床加工臺上拆卸下來，在圖7中厚度檢測線處測試試樣厚度t1。圖7試樣銑削后厚度測量位置示意圖5.4.7按5.4.2重復(fù)測試3次，直至3次讀數(shù)偏差在±0.001mm內(nèi)讀取千分表的示數(shù)，記為累積撓度Ω1，以及試樣第1次銑削加工后的撓度幼1。撓度測點位移向下，該層撓度為正值；撓度測點位移向上，該層撓度為負值。5.4.8按5.4.4～5.4.6對試樣依次進行裝夾、銑削、拆卸和厚度測試；按5.4.2重復(fù)測試3次，直至3次讀數(shù)偏差在±0.001mm內(nèi)讀取千分表的示數(shù)，記為累積撓度Ω2，計算Ω2與Ω1的差值，記為第2次銑削加工后的撓度幼2，依次類推，第n次銑削加工后的單層撓度記為幼n，累積撓度記為Ωn。5.4.9按5.4.8重復(fù)試驗至規(guī)定層數(shù)并記錄。5.4.10T/CNIAXXXX《鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試方法層削法》給出了部分鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試試驗步驟的典型示例。5.5結(jié)果計算與結(jié)果表示5.5.1撓度結(jié)果表示試驗結(jié)果以每次銑削加工后的試樣厚度、累積撓度、單層撓度表示，見表7。T/CNIAXXXX《鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試方法層削法》給出了鋁及鋁合金產(chǎn)品銑削加工試驗的撓度測試結(jié)果示例。表7銑削加工試驗的撓度測試結(jié)果0t0001t1Ω1幼12t2Ω2幼283t3Ω3幼34t4Ω4幼45t5Ω5幼56t6Ω6幼67t7Ω7幼78t8Ω8幼89t9Ω9幼9t10Ω10幼105.5.2殘余應(yīng)力結(jié)果計算與結(jié)果表示5.5.2.1按公式（3）計算L向試樣的殘余應(yīng)力分布s，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170的規(guī)定進行。Lsn=3ls2tn?tn?tn?1Ωn?1tn………式中：E——彈性模量，單位為兆帕（MPa常用鋁合金的典型彈性模量見表8或由供需雙方商定ls——支撐距離，單位為毫米（mm）；tn——第n次層削后試樣厚度，單位為毫米（mm）；Ωn——第n次層削后試樣累積撓度，單位為毫米（mm）；n——層削的次數(shù)，單位為次；m——求和公式取數(shù)起和止的范圍，下界為1，上界為n-1。5.5.2.2按公式（4）計算T向試樣的殘余應(yīng)力分布s，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170的規(guī)定進行。Tsn=表8彈性模量………5.5.2.3按公式（5）計算樣品的L向分應(yīng)力分布σ，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170的規(guī)定進行。Lσn=式中：v——泊松比（v=0.33或供需雙方商定）。s…………5.5.2.4按公式（6）計算樣品的T向分應(yīng)力分布σ，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170的規(guī)定。Tσn=s…………YS/TXXXX-XXXX5.5.2.5取L向分應(yīng)力分布σ結(jié)果的最大值作為樣品L向分應(yīng)力的最大殘余拉應(yīng)力σmax；取L向分應(yīng)力分布σ結(jié)果的最小值作為樣品L向分應(yīng)力的最大殘余壓應(yīng)力σmax；按公式（7）計算樣品L向分應(yīng)力的最大殘余應(yīng)力范圍σmax，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170σmax=σmax?σmax……（7）式中：σmax——樣品L向分應(yīng)力的最大殘余拉應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；σmax——樣品L向分應(yīng)力的最大殘余壓應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）。5.5.2.6取T向分應(yīng)力分布σ結(jié)果的最大值作為樣品T向分應(yīng)力的最大殘余拉應(yīng)力σmax；取T向分應(yīng)力分布σ結(jié)果的最小值作為樣品T向分應(yīng)力的最大殘余壓應(yīng)力σmax；按公式（8）計算樣品T向分應(yīng)力的最大殘余應(yīng)力范圍σmax，數(shù)值以兆帕（MPa）表示，計算結(jié)果表示到小數(shù)點后一位，數(shù)值修約按照GB/T8170σmax=σmax?σmax……（8）式中：σmax——樣品T向分應(yīng)力的最大殘余拉應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；σmax——樣品T向分應(yīng)力的最大殘余壓應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）。5.5.2.7當(dāng)假定試樣殘余應(yīng)力沿厚度方向?qū)ΨQ分布時，將10層殘余應(yīng)力值分別從試樣厚度中心處對稱得到另一半厚度的殘余應(yīng)力值，如圖8所示。圖8對稱得到的殘余應(yīng)力值示意圖5.5.2.8以基準面為零點，每層殘余應(yīng)力值位置以計算。5.5.2.9當(dāng)假定試樣殘余應(yīng)力沿厚度方向?qū)ΨQ分布時，以每層殘余應(yīng)力值位置為x軸，殘余應(yīng)力值為y軸，將10層殘余應(yīng)力值和對稱得到的殘余應(yīng)力值繪制厚度方向殘余應(yīng)力分布圖；當(dāng)假定試樣殘余應(yīng)力沿厚度方向不對稱分布時，以每層殘余應(yīng)力值位置為x軸，殘余應(yīng)力值為y軸，將所有層殘余應(yīng)力值直接繪制厚度方向殘余應(yīng)力分布圖。T/CNIAXXX《鋁及鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力測試方法層削法》給出了部分鋁合金產(chǎn)品殘余應(yīng)力分布圖的典型示例。5.6試驗報告試驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：a)樣品名稱；b)牌號、狀態(tài)；c)尺寸規(guī)格；d)批次；e)試驗環(huán)境溫度；f)銑削加工設(shè)備與加工參數(shù)；g)試驗儀器信息（包含支撐距離）；h)銑削加工試驗數(shù)據(jù)記錄，包括厚度、累積撓度、單層撓度；i)L向和T向殘余分應(yīng)力計算結(jié)果；j)厚度方向殘余應(yīng)力分布圖；k)最大殘余拉應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力、最大殘余應(yīng)力范圍及對應(yīng)厚度位置；l)試驗中觀察到的異?，F(xiàn)象；m)本文件編號；n)試驗人員；o)試驗日期。YS/TXXXX-XXXX附錄A（規(guī)范性）cosα法殘余應(yīng)力測試的無應(yīng)力標定A.1材料無應(yīng)力鐵粉：市售的無應(yīng)力鐵粉，或?qū)㈣F粉按如下流程制備：a）采用真空退火爐在650℃退火約1h；b）將鐵粉鋪在試樣支架上表面；c）在經(jīng)過校準的殘余應(yīng)力儀上，測量其應(yīng)力，應(yīng)力值應(yīng)不大于10MPa，并確定其值。建議選擇多個實驗室進行比對，并確定準確應(yīng)力值；d）若應(yīng)力值大于10MPa，應(yīng)重新退火制樣。A.2標定步驟A.2.1光源采用Cr靶，入射角調(diào)至35°。A.2.2將無應(yīng)力鐵粉置于試驗臺，測試距離調(diào)至51mm。采用Fe{211}晶面分析。A.2.3開啟射線，收集德拜環(huán)，并計算應(yīng)力值。A.3結(jié)果判定A.3.1如無應(yīng)力鐵粉的德拜環(huán)為正圓形且應(yīng)力值在±10MPa以內(nèi)，判定儀器滿足試驗要求。A.3.2若無應(yīng)力鐵粉的德拜環(huán)非正圓形或應(yīng)力值超過±10MPa，需要重新調(diào)整設(shè)備，直至測試應(yīng)力值在±10MPa以內(nèi)。附錄B（資料性）雙線性插值計算步驟B.1雙線性插值如圖B.1所示，已知Q11、Q12、Q21、Q22四點坐標，求P點坐標。圖B.1雙線性插值示意圖B.2求解R1和R2坐標先采用關(guān)于x的單線性插值按公式（B.1）、公式（B.2）分別計算R1和R2的坐標。先采用關(guān)于x的單線性插值按公式（B.1）、公式（B.2）分別計算R1和R2的坐標。B.3求解P坐標再使用關(guān)于y方向的單線按.,）y……………（B.3）YS/TXXXX-XXXX附錄C（資料性）7050T7451板材全表面殘余應(yīng)力測試示例C.1樣品放置對尺寸為16000mm（長）×2000mm（寬）×100mm（厚）的7050