《鋼絲繩 實際殘余應(yīng)力測定方法》編制說明

《鋼絲繩實際殘余應(yīng)力測定方法》

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制說明

《鋼絲繩實際殘余應(yīng)力測定方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制組

2023.07

《鋼絲繩實際殘余應(yīng)力測定方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制說明

(征求意見稿)

一、工作簡況

1.1任務(wù)來源

本項目是依據(jù)工業(yè)和信息化部下達(dá)的“2023年第一批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂和外文

版項目計劃”，項目編號：2023-0380T-YB,項目名稱為“鋼絲繩實際殘余應(yīng)力測

定方法”。本項目為制定項目。主要起草單位：南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，項

目周期為24個月，計劃完成時間為2025年04月。

1.2標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況

該項目適用于鋼絲繩實際使用、各生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程，由于鋼絲繩在生產(chǎn)過

程中，原材料盤條經(jīng)過拉拔壓縮以及鋼絲繩捻制過程中不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)

力，殘余應(yīng)力的大小對鋼絲繩的力學(xué)性能和使用性能均有重要的影響。隨著軸向

殘余拉應(yīng)力的增加,鋼絲在扭轉(zhuǎn)過程中處于扭轉(zhuǎn)和拉伸的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,因此萌

生裂紋的概率增加,降低鋼絲扭轉(zhuǎn)性能。鋼絲表面的殘余拉應(yīng)力會在一定程度上

降低疲勞壽命,而殘余壓應(yīng)力可提高鋼絲及鋼絲繩的疲勞壽命。當(dāng)鋼絲表面存在

殘余拉應(yīng)力且處于腐蝕性環(huán)境時,應(yīng)力腐蝕的作用將迅速降低鋼絲的性能。鋼絲

繩內(nèi)部的鋼絲處于扭轉(zhuǎn)和彎曲的組合狀態(tài)下,殘余拉應(yīng)力加上鋼絲繩結(jié)構(gòu)形式的

共同作用影響鋼絲繩的性能。鋼絲繩在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，像海洋工程、機(jī)械鉆井、

石油化工等重大工程項目，鋼絲繩一旦因為殘余應(yīng)力而失效，輕則財產(chǎn)損失重則

危及人民生命安全?？梢哉f，一旦失效，觸目驚心。本標(biāo)準(zhǔn)旨在建立檢測殘余應(yīng)

力試驗方法，在安裝時我們可以隨時監(jiān)控到殘余應(yīng)力的大小，及時規(guī)避，這樣可

以避免許多事故的發(fā)生。

1.3研制背景

1.3.1殘余應(yīng)力在金屬構(gòu)件中的危害

殘余應(yīng)力的存在影響構(gòu)件的各項性能,比如影響構(gòu)件精度和穩(wěn)定性甚全導(dǎo)構(gòu)

件失效,主要體現(xiàn)在如下幾個方面:(1)構(gòu)件在服役過程中,若外部存在腐蝕介質(zhì),在

其與殘余拉應(yīng)力的共同作用下,構(gòu)件易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂從而導(dǎo)致失效;(2)含殘

余應(yīng)力的構(gòu)件經(jīng)過機(jī)械加工后,構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力場會重新分布,從而影響構(gòu)件尺寸

的穩(wěn)定性,達(dá)不到精度要求;(3)在循環(huán)交變載荷作用下,含殘余應(yīng)力的構(gòu)件更易萌

生和擴(kuò)展疲勞裂紋,構(gòu)件結(jié)構(gòu)失穩(wěn)從而斷裂;(4)材料的塑性變形能力較差時,含殘

余應(yīng)力的構(gòu)件會因靜載強(qiáng)度降低從而局部脆斷。歷史上有許多災(zāi)難性事故皆因殘

余應(yīng)力而起,所以研究殘余應(yīng)力形成原因及分布規(guī)律,有利于減少事故發(fā)生率,提

高構(gòu)件安全性和使用壽命,具有重大的現(xiàn)實意義。

1.3.2殘余應(yīng)力在鋼絲繩中的危害

殘余應(yīng)力的危害一是導(dǎo)致鋼絲繩變形，鋼絲繩在生產(chǎn)過程以及鋼絲繩在服役

過程中均存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在將產(chǎn)生與鋼絲繩螺旋線方向相反的力，

破壞鋼絲繩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致鋼絲繩變形，鋼絲錯位、繩股冒出、繩股錯位等，

進(jìn)而鋼絲繩在運行過程發(fā)生卡頓、反扭等現(xiàn)象，鋼絲繩基本報廢。二是導(dǎo)致鋼絲

繩斷裂，殘余應(yīng)力也是引起鋼絲繩疲勞破壞的主要原因,這些應(yīng)力在反復(fù)變形的

時候擴(kuò)大了鋼絲中存在的微小裂紋,使得裂紋越來越大,最后使鋼絲斷裂,進(jìn)而使

得鋼絲繩失效。殘余應(yīng)力作為評估鋼絲繩安全性能七大重要指標(biāo)之一（強(qiáng)度、耐

疲勞、殘余應(yīng)力、耐磨性、彎曲度、耐沖擊性、耐腐蝕性）。目前，其余六項指

標(biāo)檢測方法均有國家標(biāo)準(zhǔn)，就殘余應(yīng)力檢測指標(biāo)至今沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。

而殘余應(yīng)力是關(guān)乎鋼絲繩在服役期間的安全狀態(tài)一個重要指標(biāo)。許多鋼絲繩失效

與鋼絲繩本身存在的殘余應(yīng)力以及在安裝時導(dǎo)致的殘余應(yīng)力有關(guān)。所以，建議鋼

絲繩在出廠前以及安裝使用后均應(yīng)檢測殘余應(yīng)力這一指標(biāo)。

1.4主要工作過程

起草(草案、調(diào)研)階段:計劃下達(dá)后，2023年04月全國鋼標(biāo)委鋼絲繩分委

員會通知起草單位成立了起草工作組，南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所立即成立了標(biāo)

準(zhǔn)工作組。工作組對國內(nèi)外鋼絲繩產(chǎn)品、技術(shù)發(fā)展水平與使用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的

調(diào)研，同時廣泛搜集相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外技術(shù)資料，進(jìn)行了大量的分析研究和資料

查證工作，結(jié)合鋼絲繩使用單位的實際使用和南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所多年來

的檢驗檢測經(jīng)驗，進(jìn)行全面總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上編制了《鋼絲繩實際殘余

應(yīng)力測定方法》標(biāo)準(zhǔn)草案初稿。經(jīng)工作組及有關(guān)專家研討后，對標(biāo)準(zhǔn)草案初稿進(jìn)

行了認(rèn)真的修改，于2023年07月形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及其編制說明等相關(guān)附

件，報全國鋼標(biāo)委鋼絲繩分委員會秘書處。

計劃2023年xx月完成標(biāo)準(zhǔn)征集意見的修改、形成第一次審定稿，2024年

xx月完成第一次審定會。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

本文件在制定過程中，遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、

及時修訂、不斷完善”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)

與應(yīng)用相結(jié)合，本著先進(jìn)性、科學(xué)性、合理性和可操作性以及標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、統(tǒng)一

性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進(jìn)行本文件的制定工作。

本文件在起草過程中主要按GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)

的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的要求編寫。在確定本文件主要技術(shù)指標(biāo)時，綜合考慮制造

企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經(jīng)濟(jì)、社會效益，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)

上的先進(jìn)性和合理性。

三、主要內(nèi)容說明

3.1范圍

《鋼絲繩殘余應(yīng)力測定方法》規(guī)定了2種鋼絲繩殘余應(yīng)力測定方法：分別

為直接折角法、微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法，本文件中測定殘余應(yīng)力的方法只涉及物

理法和X射線應(yīng)力檢測法。

直接折角法適用于盤卷上直徑≤10mm的鋼絲繩，主要檢測的是宏觀殘余應(yīng)

力。

微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法不限鋼絲繩直徑，不限工況均可采用；

微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法是一種破環(huán)性試驗，主要檢測鋼絲繩鋼絲內(nèi)部的微觀

殘余應(yīng)力，需要拆解鋼絲；

2種方法由鋼絲繩直徑范圍以及供需雙方協(xié)商選定，訂貨合同中未注明者，

由供方自行決定。

3.2規(guī)范性引用文件

本文件引用的方法標(biāo)準(zhǔn)共計6個。

3.3術(shù)語和定義

本文件主要給出了宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力以及GB/T7704中的術(shù)語和

定義。

3.4直接折角法

3.4.1試驗過程

從盤卷上沿切線方向拉出鋼絲繩，鋼絲繩不可旋轉(zhuǎn)去除1m后，在拉出端折

出一個長約50mm的直角，緊握住折角，保證不會有任何轉(zhuǎn)動，將鋼絲繩拉出

6m，慢慢地松開折角，讓鋼絲繩自由釋放轉(zhuǎn)動，觀察折角旋轉(zhuǎn)角度，以角度確

認(rèn)殘余應(yīng)力，90°為0.25，180°為0.5，270°為0.75，360°為1，順時針為正，逆

時針為負(fù)，讀數(shù)并記錄試樣轉(zhuǎn)動的方向和圈數(shù)。檢測圖示按GB/T33159進(jìn)行。

3.5微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法

3.5.1微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法原理

其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ，即一定波長的X射線照射到晶

體材料上，相鄰兩個原子面衍射時的X射線光程差正好是波長的整數(shù)倍。通過測

量衍射角變化Δθ從而得到晶格間距變化Δd，根據(jù)胡克定律和彈性力學(xué)原理，計

算出材料的殘余應(yīng)力。

常規(guī)金屬材料屬于多晶體，具有一定的晶面間距。如果材料受應(yīng)力作用，晶面

間距d就要發(fā)生正比于應(yīng)力大小的變化。假設(shè)一束波長為λ的單色平行光——X

射線以入射角θ入射到某特定晶面（hkl）時，如圖1所示，當(dāng)能滿足Bragg公式

（2dsinθ=nλ）時，X射線會因干涉加強(qiáng)在反射方向獲得衍射峰，根據(jù)此原理可求

得d值。同一射線不同角度入射物體表面，測出不同方向d值，連續(xù)增大為拉應(yīng)

力，連續(xù)減小為壓應(yīng)力。

圖1單色光平面波從相臨晶體平面反射而產(chǎn)生衍射

1929年,俄國學(xué)者AKCEHOB提出了X射線法測定殘余應(yīng)力的基本原理,其基本思想是:

在特定的應(yīng)力條件下,材料會產(chǎn)生晶格應(yīng)變與宏觀應(yīng)變,二者是一致的。晶格應(yīng)變可由Ⅹ射線

衍射技術(shù)和布拉格定律測量得到的,而宏觀應(yīng)變則由彈性理論計算得到,從而可以由測量得到

的晶格應(yīng)變推斷出宏觀應(yīng)力。基于這個思路,德國學(xué)者M(jìn)acherauch研究出sin2Ψ法,X射線衍

射測定殘余應(yīng)力的方法逐漸被接受并被廣泛應(yīng)用。

對Bragg方程微分可得：

式中

：無應(yīng)力衍射峰的布拉格角；

即

式中為處于某一方位的晶粒的晶格應(yīng)變。

X射線應(yīng)力測定時入射線、衍射線和晶面法線關(guān)系如圖2所示。Ⅹ射線應(yīng)力測定中最

直接的測試參量為2θ角,Ψ為晶面法線和試樣表面法線之間的夾角,2θ與η之間互補(bǔ),入射角

Ψo為入射線與試樣表面法線之間的夾角。

圖2入射線、衍射線和晶面法線間的關(guān)系

各向同性的材料主應(yīng)力與主應(yīng)變的方向一致的,圖3為描述其應(yīng)力和應(yīng)變的坐標(biāo)系。確

定測量角方向時,待測應(yīng)力為σ?,該方向的分應(yīng)變ε?，Ψ與主應(yīng)變的關(guān)系為:

利用廣義胡克定律，可得ε?，Ψ與主應(yīng)力之間的關(guān)系為：

圖3坐標(biāo)關(guān)系

由于射線可穿透的深度很小,被照射的表面層的應(yīng)力狀態(tài)可視為平由應(yīng)力狀態(tài),因此

22

σ3可近似地看作零,且(σ1cos?+σ2sin?)=σ?(此時Ψ=90°),故

上式就是X射線測定應(yīng)力的基本方程,即當(dāng)明確了衍射線角位移(dθ)?，Ψ,則待測應(yīng)力

σ?可求。其中E為彈性模量，υ為泊松比。

Ⅹ射線衍射法的測量過程并不會對被測材料的整體性產(chǎn)生破壞,適用于測定表面層殘

余應(yīng)力,要求被測構(gòu)件的表面質(zhì)量較高,即測點位置應(yīng)保持平整光滑,且20μm深度內(nèi)無附加

應(yīng)力。另外,此方法受顯微組織影響較大,測試設(shè)備昂貴,較其他方法而言操作方便性較差.

3.5.2實際殘余應(yīng)力的計算

依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7704對鋼絲繩繩股中鋼絲進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。

a)當(dāng)檢測鋼絲繩內(nèi)全部鋼絲時，是將每根鋼絲的實測殘余應(yīng)力相加。

b)鋼絲繩的種類繁多，分不同用途、不同結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)按照GB/T8706所

述，當(dāng)檢測鋼絲繩內(nèi)部分鋼絲時，部分鋼絲的選擇原則為，根據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，

選擇同結(jié)構(gòu)同直徑的鋼絲每類至少6根或者取多股同類型的一股同直徑鋼絲進(jìn)

行殘余應(yīng)力檢測，求取平均值作為同結(jié)構(gòu)同直徑鋼絲的計算殘余應(yīng)力值。鋼絲繩

殘余應(yīng)力總和按式（1）計算。

……………（1）

式中：

σ——鋼絲繩殘余應(yīng)力總和，單位為MPa；

——同結(jié)構(gòu)、同直徑1股中鋼絲的實測殘余應(yīng)力與不參加

試驗鋼絲的計算殘余應(yīng)力之和，單位為MPa；

——各股中心絲的實測殘余應(yīng)力或計算殘余應(yīng)力之和，單

位為MPa；

——鋼絲繩中同結(jié)構(gòu)、同直徑的股數(shù)。

3.6主要試驗(或驗證)情況

3.6.1直接折角法

針對直接折角法分別選取直徑從小到大的鋼絲繩，鋼絲繩的類型有不銹鋼絲

繩、鍍鋅鋼絲繩、普通鋼絲繩、重要用途鋼絲繩等對其進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測，如

圖4所示，具體數(shù)值如表1所示：

圖4折角法示意圖

表1中數(shù)據(jù)就是根據(jù)直接折角法檢測的殘余應(yīng)力的數(shù)值，直接折角法檢測的

是宏觀殘余應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力能夠?qū)е落摻z繩變形，鋼絲錯位、繩股冒出、繩

股錯位等，鋼絲繩一旦出現(xiàn)此種現(xiàn)象，就只能報廢處理。如果，事先檢測出來，

宏觀殘余應(yīng)力是可以釋放掉一部分，在安裝時，我們沿著殘余應(yīng)力釋放方向加以

安裝，切忌逆著殘余應(yīng)力安裝，這樣勢必不會出現(xiàn)鋼絲繩扭曲變形現(xiàn)象。數(shù)值的

絕對值越大，表明殘余應(yīng)力越大。表1也列出部分鋼絲繩直徑大于10mm的殘余

應(yīng)力的數(shù)值。僅作參考。

表1直接折角法檢測

序號直徑mm數(shù)值序號直徑mm數(shù)值

16+2.001110-1.00

26-2.501212-0.25

36+0.50138+1.50

41.5+3.25148+1.25

51.6+3.00156+2.00

68+1.50165.5+1.75

78-1.001710-0.50

88-1.501810+0.75

99.5+0.50198+1.25

1011-0.75209.5-1.00

3.6.2微區(qū)X射線應(yīng)力檢測法

鋼絲繩結(jié)構(gòu)是分層的，如圖5所示：鋼絲繩的是由許多相同的股或者不同的

繩股組成的，在檢測過程中，一種方法是檢測所有的鋼絲的殘余應(yīng)力，然后相

加；第二種方法是相同股的檢測部分鋼絲，部分鋼絲的選擇原則為，根據(jù)鋼絲

繩的結(jié)構(gòu)，選擇同結(jié)構(gòu)同直徑的鋼絲每類至少6根或者取多股同類型的一股同

直徑鋼絲進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，求取平均值作為同結(jié)構(gòu)同直徑鋼絲的計算殘余應(yīng)

力值。鋼絲繩殘余應(yīng)力總和按式（1）計算。

……………（1）

式中：

σ——鋼絲繩殘余應(yīng)力總和，單位為MPa；

——同結(jié)構(gòu)、同直徑1股中鋼絲的實測殘余應(yīng)力與不參加試驗鋼絲的

計算殘余應(yīng)力之和，單位為MPa；

——各股中心絲的實測殘余應(yīng)力或計算殘余應(yīng)力之和，單位為MPa；

——鋼絲繩中同結(jié)構(gòu)、同直徑的股數(shù)。

鋼絲繩股中不同直徑鋼絲示意圖（WS結(jié)構(gòu)）

圖5鋼絲繩結(jié)構(gòu)分布示意圖

分別選擇7根鋼絲繩，類型有不銹鋼絲繩、鍍鋅鋼絲繩（試驗時分褪鍍、未

褪鍍）、普通鋼絲繩、重要用途鋼絲繩、壓實股鋼絲繩以及鋼絞線等，本次選擇

的原則是，每個鋼絲繩每種類型的繩股，均選擇6根鋼絲進(jìn)行檢測，下列僅列出

部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表2微區(qū)X射線應(yīng)力測試儀測試數(shù)據(jù)

序數(shù)據(jù)1MPa數(shù)據(jù)2MPa數(shù)據(jù)3MPa放置時

號間

1褪鍍鋼-100.94±19.94-94.03±20.38-95.28±20.862年

絲

2未褪鍍-50.86±16.98-49.03±14.86-44.88±16.332年

鋼絲

3碳素鋼-13.66±12.67-16.62±12.50-16.44±12.321.5年

絲

4碳素鋼35.35±18.3838.69±17.52±39.53±17.391年

絲

5碳素鋼+180.36±15.38+176.69±16.52+172.85±19.326個月

絲

6碳素鋼+254.97±50.11+241±45.46+212±49.03剛生產(chǎn)5

絲天

7不銹鋼+78.96±21.11+76.35±18.65+82.46±21.022個月

鋼絲

下面殘余應(yīng)力儀出示的部分原始記錄：

STRESSREPORT

Filename:19JUL23_0002.mt

Gainfile:D:\XRDWin

Data\IN\Cr-30kv2s.Gain

Useradmin

Date:July,19,2023,08:10:49

DescriptionFE-FC-8-1

Job#:CR

Part#:

Stress=-100.9±19.9MPa

ShearStress=63.9±9.1Mpa

IntensityRatio:1.551.78

AveragePeakBreadth:3.48±0.073.38±0.06

AveragePeakFWHM:2.806±0.062.869±0.04

AveragePeakFWHMfit:2.945±0.063.004±0.06

Detector:1

BetaPsiSin^2psiDspacing2ThetaStrain*E3FWHMFWHMBreadthIntensity

Anglesfit:

25.0013.000.05061.171094156.000.0022.8563.0013.515764.01

17.435.430.00901.171202155.950.0942.8613.0103.507291.42

12.00-0.000.00001.171108155.990.0152.8632.9983.508393.56

0.00-12.000.04321.170841156.12-0.2142.7292.8953.365960.02

-12.00-24.000.16541.170540156.26-0.4702.7532.8853.465492.75

-17.43-29.430.24151.170589156.23-0.4282.7702.9183.445678.04

-25.00-37.000.36221.170392156.32-0.5972.8062.9103.585420.92

PARAMETERS

3.7鋼絲內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布情況

該部分參考文獻(xiàn)：[1]孫文,孫杰,朱維軍等.鋼絲繩殘余應(yīng)力檢測及分析[J].

金屬制品,2019,45(01):59-61.

3.7.1試驗要求

研究軸向殘余應(yīng)力在鋼絲內(nèi)部的分布情況,分別在同結(jié)構(gòu)同直徑鋼絲股中選

取至少1根鋼絲進(jìn)行鋼絲內(nèi)部軸向殘余應(yīng)力的分布情況。分別進(jìn)行鋼絲的表面和

深度為20、40、60、80μm的軸向殘余應(yīng)力檢測,檢測深度情況如圖A.1所示。

圖A.1不同深度測量點分布示意圖

3.7.2儀器

微區(qū)X射線應(yīng)力儀

電解拋光儀

3.7.3試驗步驟

借助電解拋光機(jī)及飽和NaCl電解液,采用電化學(xué)方法將鋼絲腐蝕相應(yīng)的深度;

并采用數(shù)顯千分尺確認(rèn)達(dá)到相應(yīng)的腐蝕深度后,利用微區(qū)X射線應(yīng)力儀測量不同

深度的軸向殘余應(yīng)力。

選擇6根鋼絲經(jīng)過層層腐蝕后，檢測其X射線殘余應(yīng)力，具體分布見表3所

示。

表3腐蝕后的殘余應(yīng)力數(shù)值

序號直徑mm表面

20μm40μm60μm80μm

鋼絲1#0.5110Mpa90Mpa50Mpa-45Mpa-109Mpa

鋼絲2#0.6120Mpa105Mpa49Mpa-50Mpa-120Mpa

鋼絲3#0.7122Mpa96Mpa60Mpa-43Mpa-116Mpa

鋼絲4#0.6125Mpa109Mpa55Mpa-50Mpa-109Mpa

鋼絲5#0.6123Mpa110Mpa59Mpa-46Mpa-120Mpa

鋼絲6#0.7130Mpa110Mpa54Mpa-44Mpa-123Mpa

鋼絲外層為拉應(yīng)力，內(nèi)部為壓應(yīng)力。