残余应力测量钻孔应变释放法-钢铁标准网.doc

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 201129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F1.52.0mm），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1.5X2.0mm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127，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65030024mm。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Rel=470MPa1。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f1.5mm2.0mm。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。5432110987611121314151617181920275275300300YX焊缝212223242526325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： （1） （2）式中：sx、sy分别为纵向残余应力和横向残余应力，Dex和Dey分别为释放应变De扣除加工应变Dem后得到的纵向和横向的真实应变。测量系数k1= -1.48，k2=0.37。钻削加工应变Dem和释放应变De的关系：Dem=0.39De-13。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sx、sy与测点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sx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sx为拉应力，母材部分纵向残余应力sx为压应力，且随着测试点离焊缝中心距离变远，纵向残余应力sx基本呈线性减小；垂直焊缝方向的横向残余应力sy在焊缝中心位置最大，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/mm释放应变真实应变残余应力/MPa16386-17653-98-40245-25-8-28-1-11332-19763-10751130-17416-338149-193104229-4850-552179-324122412-4表2 上海出入境检验检疫局盲孔法测试残余应力结果测点编号测点焊缝中心距离/mm释放应变真实应变残余应力/MPa66649-7439-68-36748-2424-228-13-40832-2492-13914198-55919-376201-216136246-82100-433111-2518132718表3 武钢研究院盲孔法测试残余应力结果测点编号测点焊缝中心距离/mm释放应变真实应变残余应力/MPa1172137-8978-147-651253-3218-724-3-321335-21294-11670134-401419-378207-218139246-87150-38360-2215029947图2 三家实验室测试纵向残余应力与 图3 三家实验室测试横向残余应力与测点离焊缝中心距离的关系 测点离焊缝中心距离的关系为进一步丰富金属材料 残余应力测定 钻孔应变法国家标准制订的工作，武钢研究院还采用目前残余应力测定中应用较广的压痕法和X射线衍射法对同一块焊缝试板进行了残余应力测定，测试结果如表4和表5所示。由于X射线衍射仪测试到横向残余应力sy变化十分微弱，不便于测量，只记录了纵向残余应力sx的测量结果。比较3种方法测试的纵向残余应力sx随测试点离焊缝距离的分布规律，如图4所示。比较图4中3条曲线，发现盲孔法测试纵向残余应力sx峰值最大，压痕法次之，X射线衍射法最小。表4 武钢研究院压痕法测试残余应力结果测点编号测点焊缝中心距离/mm真实应变残余应力/MPa1675-114-242-124-591756-267-2721291842-572-171160-251925-689-21724738200-7890279-76表5 武钢研究院X射线衍射仪法测试残余应力结果测点编号测点焊缝中心距离/mm残余应力/MPa21104-1212264-28234410424322282522268260197图4 武钢研究院采用不同方法测试纵向残余应力与测点离焊缝中心距离关系图2.4.3 结论1) 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结果证实残余应力的分布存在很好的一致性。沿焊缝方向纵向残余应力sx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sx为拉应力，母材部分纵向残余应力sx为压应力，且随着测试点离焊缝中心距离变远，纵向残余应力sx基本呈线性减小；横向残余应力sy在焊缝中心位置最大，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。2） 武钢研究院分别采用盲孔法、压痕法和X射线衍射法对同一块焊缝试板进行了残余应力测定，残余应力结果证实残余应力的分布存在很好的一致性，发现盲孔法测试纵向残余应力sx峰值最大，压痕法次之，X射线衍射法最小。 2.5 关于增加不确定度等相关信息的说明钻孔应变法影响测量残余应力结果的因素特别多，所以测量结果的数据波动度和重复性没有其它物理测试量好，给人一个错觉，这个方法好像不太靠谱。自从1934年德国人Mather于1934年最早提出这个测量方法以来，无数的研究者对其测量的影响因素或测量不确定度进行了研究，取得大量的研究成果。其中影响比较大的是17个欧洲不确定度项目（UNCERT）中由德国主持的钻孔应变测量残余应力不确定度报告CoP 15。这个2000年发布的报告第一次按照金属材料力学性能测试不确定度的通用模式系统归纳了钻孔应变测量残余应力不确定度的影响因素和构成分量，并给出了一个计算步骤的例子。2002年发布的NPL measurement good practice guide 53则在CoP 15的基础上进一步完善，给出了一个包含44个影响因素（实际上可能不止这些）的不确定度来源表，并对各因素的不确定度贡献大小进行了评价。通过实验室间的比对、不同测量方法之间的比对也是研究和认识钻孔应变法的重要手段。这方面的比对研究一直不断，但迄今为止，比对范围最广，影响较大的一次比对是2000年由NPL牵头组织英国20家单位开展钻孔应变法和X-射线法XRD的实验室间比对。下表6是这次比对的最终结果。因此标准制订中，选择NPL measurement good practice guide 53中的不确定度来源表和上表6作为资料性附录供标准相关使用者对测量结果分析时参考，同时有助于正确认识钻孔应变法，对之有一个理性的看法。参考文献：1 李荣锋. 爆炸预处理提高焊接接头热影响区韧性的研究D/ 南京：南京化工大学，2000. 2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T7704-2008 无损检测X射线应力测定方法S.北京：中国标准出版社，2008.3 陈怀宁，陈亮山，董秀中. 盲孔法测量残余应力的钻削加工应变J.焊接学报. 1994,15(4):276-2804 王嘉麟. 球形储罐焊接工程技术M，北京：机械工业出版社，2000.5 王庆明，孙渊残余应力测试技术的进展与动向J.机电工程，2011，28(1)：11-156 王江超，周方明小孔法测量焊接残余应力J电焊机，2008，38(2)：64-667 刘晓红，苏文桂，等屈服状态下盲孔法测量残余应力孔边应变释放系数修正J.铸造技术，2010，31(1)：36-398 赵海燕，裴怡，史耀武，等用小孔释放法测量焊接高残余应力时孔边塑性变形对测量精度的影响及修正方法J.机械强度，1996，18(3)：17-205Beaney E MAccurate measurement of residual stress on any steel u