《鋁及鋁合金產品殘余應力評價方法》

YS/TXXXX-XXXX鋁及鋁合金產品殘余應力評價方法本文件描述了鋁及鋁合金產品殘余應力評價的方法。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”）進行殘余應力測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構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射線應力測定方法GB/T8005.1鋁及鋁合金術語第1部分：產品及加工處理工藝GB/T8170數值修約規(guī)則與極限數值的表示和判定GB/TXXXX航空用鋁合金板材通用技術規(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鋁及鋁合金產品殘余應力測試方法層削法3術語和定義GB/T8005.1界定的術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力所對應的應變可以通過相應區(qū)域里晶格應變進行統計獲得，依據X射線衍射原理測定晶格應變可以計算殘余應力，選擇sin2ψ法和cosα法對板材表面殘余應力進行矩陣式測試并進行數據插值，可獲得板材全表面殘余應力。該方法用于非包鋁板材殘余應力測試。4.2儀器設備殘余應力測試儀，應按JJF0011的規(guī)定檢定，滿足如下要求的兩種儀器均可使用：——cosα法殘余應力測試儀：配備Cr靶射線源和二維探測器?！猻in2ψ法殘余應力測試儀：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射線輻照風險，測試人員應具備X射線衍射法基礎知識，測試時應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符合GB/TXXXX的規(guī)定，當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，測試結果應符合表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法殘余應力測試儀按附錄A的規(guī)定進行無應力標定，sin2ψ法殘余應力測試儀按GB/T7704的規(guī)定進行無應力標定。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，樣品待測應力方向平行于儀器的應力方向平面?！捎胹in2ψ法時條件和參數應符合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試驗數據處理4.5.1將各測點測試結果形成矩陣數據，并進行插值獲得全表面殘余應力分布結果，插值函數宜選擇雙線性插值（計算方法見附錄B），插值節(jié)點數宜為原始測試數據點數10倍以上。4.5.2取全表面殘余應力分布結果的最大值作為樣品的殘余應力最大值σmax。4.5.3按公式（1）計算樣品的殘余應力平均值σave，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按GB/T8170的規(guī)定進行。σave=…………（1）式中：i——第i個測點的殘余應力測試值，單位為兆帕（MPa）；p——測點總數。4.5.4按公式（2）計算樣品的殘余應力標準差σstd，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按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果進行處理，輸入產品標準或訂貨單（或合同）中殘余應力控制指標要求，繪制殘余應力分布云圖。44.6結果表示試驗結果以殘余應力分布云圖表示，云圖上應注明超標區(qū)域、達標區(qū)域、殘余應力最大值σmax、殘余應力平均值σave和標準差σstd。附錄C給出了7050T7451板材全表面殘余應力測試示例。4.7試驗報告試驗報告應包括以下內容：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)殘余應力數據統計結果；i)殘余應力云圖；j)試驗中觀察到的異?，F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力，給出試樣不同加工厚度對應的變形撓度曲線以及試樣和板材內部不同厚度下的應力分布曲線。根據殘余應力是否沿厚度方向對稱分布采用不同的層削厚度：——當假定殘余應力沿厚度方向對稱分布時，銑削至一半厚度結束；——當假定殘余應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儀器設備5.2.1層削法殘余應力測試裝置由底座、撓度測試千分表、支撐柱、側邊限位塊構成，見圖3。儀器應滿足下列條件：——測量精度：千分表精度為±0.001mm；——剛度：儀器材料彈性模量應不小于200GPa，宜選擇不銹鋼或模具鋼；——支撐距離：當產品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，支撐距離應符合產品標準或訂貨單（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當產品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，樣坯取樣位置、尺寸、取向及數量應符合產品標準或訂貨單（或合同）的規(guī)定。產品標準或訂貨單（或合同）無規(guī)定時，應符合圖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當產品標準或訂貨單（或合同）有規(guī)定時，試樣尺寸、沉頭孔加工位置和尺寸應符合產品標準或訂貨單（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險。測試人員在操作過程中應注意防范機械損傷。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。5.4.3按5.4.2重新放置試樣并重復測試，直至3次讀數偏差在±0.001mm內清零千分表。7YS/TXXXX-XXXX5.4.4將試樣放置在銑床加工臺上，層削加工面朝上，用內六角螺栓和T型螺母固定裝緊（或按T/CNIAXXXX《鋁及鋁合金產品殘余應力測試方法層削法》規(guī)定的方法固定試樣），層削加工面應無明顯翹曲。5.4.5銑刀轉速宜為3000rpm、進給速度宜為500mm/min。按照先粗加工后精加工的順序對試樣進行銑削，根據每層銑削厚度，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向試樣的加工參數和進刀量分配相同，試樣銑削層數和每層銑削厚度符合以下要求：——當假定試樣殘余應力沿厚度方向對稱分布時，銑削至t0/2，銑削層數為10層[當訂貨單(或合同)對銑削層數有規(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；——當假定試樣殘余應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重復測試3次，直至3次讀數偏差在±0.001mm內讀取千分表的示數，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重復測試3次，直至3次讀數偏差在±0.001mm內讀取千分表的示數，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重復試驗至規(guī)定層數并記錄。5.4.10T/CNIAXXXX《鋁及鋁合金產品殘余應力測試方法層削法》給出了部分鋁合金產品殘余應力測試試驗步驟的典型示例。5.5結果計算與結果表示5.5.1撓度結果表示試驗結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《鋁及鋁合金產品殘余應力測試方法層削法》給出了鋁及鋁合金產品銑削加工試驗的撓度測試結果示例。表7銑削加工試驗的撓度測試結果0t0001t1Ω1幼12t2Ω2幼283t3Ω3幼34t4Ω4幼45t5Ω5幼56t6Ω6幼67t7Ω7幼78t8Ω8幼89t9Ω9幼9t10Ω10幼105.5.2殘余應力結果計算與結果表示5.5.2.1按公式（3）計算L向試樣的殘余應力分布s，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照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，單位為次；m——求和公式取數起和止的范圍，下界為1，上界為n-1。5.5.2.2按公式（4）計算T向試樣的殘余應力分布s，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照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向分應力分布σ，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照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向分應力分布σ，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照GB/T8170的規(guī)定。Tσn=s…………YS/TXXXX-XXXX5.5.2.5取L向分應力分布σ結果的最大值作為樣品L向分應力的最大殘余拉應力σmax；取L向分應力分布σ結果的最小值作為樣品L向分應力的最大殘余壓應力σmax；按公式（7）計算樣品L向分應力的最大殘余應力范圍σmax，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照GB/T8170σmax=σmax?σmax……（7）式中：σmax——樣品L向分應力的最大殘余拉應力，單位為兆帕（MPa）；σmax——樣品L向分應力的最大殘余壓應力，單位為兆帕（MPa）。5.5.2.6取T向分應力分布σ結果的最大值作為樣品T向分應力的最大殘余拉應力σmax；取T向分應力分布σ結果的最小值作為樣品T向分應力的最大殘余壓應力σmax；按公式（8）計算樣品T向分應力的最大殘余應力范圍σmax，數值以兆帕（MPa）表示，計算結果表示到小數點后一位，數值修約按照GB/T8170σmax=σmax?σmax……（8）式中：σmax——樣品T向分應力的最大殘余拉應力，單位為兆帕（MPa）；σmax——樣品T向分應力的最大殘余壓應力，單位為兆帕（MPa）。5.5.2.7當假定試樣殘余應力沿厚度方向對稱分布時，將10層殘余應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力值，如圖8所示。圖8對稱得到的殘余應力值示意圖5.5.2.8以基準面為零點，每層殘余應力值位置以計算。5.5.2.9當假定試樣殘余應力沿厚度方向對稱分布時，以每層殘余應力值位置為x軸，殘余應力值為y軸，將10層殘余應力值和對稱得到的殘余應力值繪制厚度方向殘余應力分布圖；當假定試樣殘余應力沿厚度方向不對稱分布時，以每層殘余應力值位置為x軸，殘余應力值為y軸，將所有層殘余應力值直接繪制厚度方向殘余應力分布圖。T/CNIAXXX《鋁及鋁合金產品殘余應力測試方法層削法》給出了部分鋁合金產品殘余應力分布圖的典型示例。5.6試驗報告試驗報告應包括以下內容：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)銑削加工設備與加工參數；g)試驗儀器信息（包含支撐距離）；h)銑削加工試驗數據記錄，包括厚度、累積撓度、單層撓度；i)L向和T向殘余分應力計算結果；j)厚度方向殘余應力分布圖；k)最大殘余拉應力、最大殘余壓應力、最大殘余應力范圍及對應厚度位置；l)試驗中觀察到的異?，F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法殘余應力測試的無應力標定A.1材料無應力鐵粉：市售的無應力鐵粉，或將鐵粉按如下流程制備：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）在經過校準的殘余應力儀上，測量其應力，應力值應不大于10MPa，并確定其值。建議選擇多個實驗室進行比對，并確定準確應力值；d）若應力值大于10MPa，應重新退火制樣。A.2標定步驟A.2.1光源采用Cr靶，入射角調至35°。A.2.2將無應力鐵粉置于試驗臺，測試距離調至51mm。采用Fe{211}晶面分析。A.2.3開啟射線，收集德拜環(huán)，并計算應力值。A.3結果判定A.3.1如無應力鐵粉的德拜環(huán)為正圓形且應力值在±10MPa以內，判定儀器滿足試驗要求。A.3.2若無應力鐵粉的德拜環(huán)非正圓形或應力值超過±10MPa，需要重新調整設備，直至測試應力值在±10MPa以內。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板材全表面殘余應力測試示例C.1樣品放置對尺寸為16000mm（長）×2000mm（寬）×100mm（厚）的7050