《轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法》征求意见稿

ICS77.040.10

CCSH22

团体标准

T/CSTMXXXXX—2022

轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法

Measurementmethodofresidualstressinrolledsteelplatebymagnetic

anisotropy

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

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引言

钢板轧制过程导致较大残余应力的产生，而目前针对轧制钢板中存在的残余应力并没有简单而行

之有效的检测手段。本文件提出的残余应力磁各向异性检测技术可以很好填补这个空白，可为工程应用

中轧制钢板等铁磁性工件残余应力的稳定、可靠、无损测定提供技术规范。

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轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法

1范围

本文件规定了轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法的检测要求、检测原理、检测系统、检测程序、

检测报告。

本文件适用于单晶以及含有不同物相的多晶铁磁性轧制钢板试件检测。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB22448-2008500kV以下工业X射线探伤机防护规则

GB/T7704-2017无损检测X射线应力测定方法

GB/T24179-2009金属材料残余应力测定压痕应变法。

GB/T26140-2010无损检测测量残余应力的中子衍射方法

GB/T33210-2016无损检测残余应力的电磁检测方法

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

磁各向异性Magneticanisotropy

材料的磁特性尤其是磁导率在应力作用下随着方向的变化，并在不同的方向上呈现出差异的性质。

3.2

磁化线圈Magnetizingcoils

用于提供激励磁场、磁化待测试件的传感器线圈组件。

3.3

磁化电流Magnetizingcurrent

对待测试件进行磁化，以在其表面及一定深度得到必要磁化场而提供给磁化线圈的电流。

3.4

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检测线圈Detectioncoils

用于提取磁各向异性输出信号以获取应力状态的线圈组件。

3.5

应力系数Stresscoefficient

测量设备输出电压与被测试件应力值之间的关系系数。

3.6

输出电压Outputvoltage

由测量设备拾取、经过处理后检测线圈输出的电压值。

3.7

工作电压Operatingvoltage

仪器正常工作时所需的输入电压。

3.8

工作功率Operatingpower

仪器正常工作时所需的功率。

3.9

仪器测量精度Measuringaccuracyofinstrument

仪器测量值与真实值之间的接近程度，包含分辨率和精度两方面。

3.10

零应力试件Zero-stressspecimen

经过应力消除处理，残余应力为零或接近于零的标准试件。

3.11

载荷应力Loadstress

由外部施加使工程结构或构件产生内力和变形等效应的各种直接作用。

3.12

被测材料Materialstobetested

被检测零部件的材质。

3.13

测点Surveypositions

被测试件中被选择用于放置传感器的位置。

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3.14

传感器Sensors

感受被测量的信息，并将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号，以满足信息的传输、处理、

存储、显示、记录和控制等要求的器件。

3.15

仪器主机Instrumentmainframe

用来控制传感器进行测量并进行运算的测试设备核心部件。

3.16

应力分布Stressdistribution

应力大小和方向在零部件中随位置变化而变化的状态。

3.17

残余应力分布Residualstressdistribution

轧制钢板中残余应力随位置的变化情况。

3.18

主应力Principalstresses

在测点位置法向量为n=(n1,n2,n3)的微面积元上剪应力为零时的正应力。

3.19

主应力分布Principalstressdistribution

待测试件主应力大小及方向等随各测点位置的变化情况。

4符号和说明

本文件使用的符号和说明见表1。

表1符号和说明

符号说明单位

σx沿x轴的应力MPa

σy沿y轴的应力MPa

σ1、σ2主应力MPa

θ主应力σ1与x轴间的夹角rad

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K输出电压与应力差之间的比例系数V/MPa

Ri检测线圈的电阻值Ω

Xi检测线圈的感抗值Ω

U检测线圈输出电压V

H磁场强度A/m

B磁感应强度T

τxyxy平面的剪切应力MPa

τii点处的剪切应力MPa

σii点处的正应力MPa

5检测要求

5.1人员要求

残余应力检测人员应具有电学与力学相关背景；设备维护和操作人员应经专业培训，取得操作资格

证。

5.2设备要求

检测设备应工作状态良好，并定期进行外观、测量范围、最大允许误差、检测重复度等检验。

5.3试件要求

a)待测试件表面、测点处应保持清洁、无异物，一般无须对试件进行特殊处理；带涂层（如油漆）

试件（涂层厚度不超过2.0mm）也可正常进行测量。

b)进行标定校正曲线前，应对标准试件进行应力消减或调零（或是近零应力试件）。用于标定的

试件材质应与待检试件材质种类及化学成分相同。

c)完成一次测量后，应消除试件的干扰磁场，退磁过程建议在2秒内完成。

5.4测点布局

测点位置可按阵列形式排布。测点间隔推荐为16.0～40.0mm；测点的列数为2n+1(n≥1)列，测点

行数为2n+1(n≥1)行；相邻行间测点按等腰三角形布局、且间隔相等。用户可以根据实际情况和上述

要求设计测点进行测量，测点布局如图1所示。

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图1测点布置示意图

5.5环境条件

检测时，仪器周围不应有强磁场，建议环境温度25℃左右，相对湿度60%左右。检测应在稳固

的平台上进行，检验区域内应无可察觉的机械动。传感器探头直径5倍尺寸范围内，除检验装置和样品

外不应有可能影响检测仪正常工作的其他物体。

注：不同材质、温度变化较大时可能需要重新进行校准。

6检测原理

6.1设备工作原理

当通过磁化线圈对轧制钢板施加磁场时，钢材产生的磁感应强度平行于磁场，应力存在时材料变得

具有磁导率各向异性，二者存在一个角度。利用含有残余应力或载荷应力的轧制钢板被磁化时具有磁性

各向异性的特点，通过输出线圈提取反映磁导率各向异性强弱的信号来判断轧制钢板中残余应力的大小

和方向，其原理框图如图2所示。

图2轧制钢板残余应力的磁各向异性检测仪器原理框图

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6.2主应力的确定

轧制钢板测点处主应力的计算参考连续介质中主应力的求解方法，如图3所示。

图3连续介质中主应力的分解

作用于正方体单元各面的平均应力可分为垂直成分σ和平行成分τ。假定正方体单元的上下面没有受

到应力的作用，则x方向的合力为：

（1）

根据弹性解析理论，作用于b面的剪切应力τb即为该点的τxy，它与主应力差的关系为

（2）

这里θ是主应力σ1与x轴之间的夹角，即从主应力σ1的方向开始，沿逆时针旋转到x轴方向所需转

动的角度。若已知θ和主应力差(σ1-σ2)，即可求出τxy，而τxy在b及d点分别为τb和τd。因此，利用上式

就可以求出τb和τd，然后代入式（1）即可求出作用于c面的垂直应力σc（此时令σa=0，因a点处在端面），

σc即为c点的应力。σc即为该点的σx。同样的方法反复使用，即可求出e点，f点的σe,σf。

另一方面，由弹性解析理论可得出

σy=σx–(σ1-σ2)cosθ(3)

利用上式可求出图4中所示各点的应力σy。因此，我们在已知主应力差(σ1-σ2)和角度θ的条件下，

能够相应的计算出各点x和y轴上的应力。

由各测点的切应力差，用切应力差法计算出主应力σ1及σ2，

（4）

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假设p=σ1+σ2，q=σ1-σ2，则主应力σ1及σ2还可以表示为：

（5）

（6）

7检测系统

7.1检测仪器

残余应力磁各向异性检测仪器一般由传感器、励磁系统、信号检出系统、信号处理系统、输出系统

等几部分组成。

图4轧制钢板残余应力磁各向异性检测仪器

7.2传感器探头

传感器探头有四脚和九脚两种结构形式，如图5所示。对于四脚探头，分别在对角线脚上绕两个磁

化用和输出用线圈。磁化线圈通以交流电流，探头放在轧制钢板上，无应力时，探头两输出脚处在等磁

位点，输出电压为零；当轧制钢板有残余或载荷应力时，由于钢材被磁化时应力引起不同方向的磁导率

不同，及磁导率各向异性，两脚磁位不同，输出线圈产生电压信号。因此当磁化信号呈周期性变化时，

输出线圈中就会产生了输出信号电压。

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图5四脚、九脚传感器结构示意图

7.3输出信号

检测线圈输出信号与主应力σ1、σ2的关系为：

Ie

U12cos2K12cos2

R2X222

ii（7）

式中R2、X2分别为检测线圈的电阻和感抗值，θ是主应力和探头方向的夹角，K为输出电压与主应

力差之间的比例系数。根据线圈输出信号，对照事先利用相同材质制备的标准试件在拉力实验机上测量

出来的校正曲线(输出电压和应力的关系曲线），如图6，即可确定主应力差及主应力大小。

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图6磁各向异性应力检测的校正曲线

7.4仪器特性

a)仪器适用于具有铁磁性的各类轧制钢板残余应力的无损测量，对被测构件没有任何损伤；

b)应力检测效率高，1～2秒内即可完成单个测点的测量，方便工程现场应用；

c)一般不需对被测试件表面进行处理，对于带涂层（厚度不超过2.0mm）试件也可进行测量；

d)仪器具有测点退磁功能；

e)可进行表面下0～2.0mm范围内的分层应力测量；

f)能实现被测构造物残余应力及其二维分布的测量，并自动绘制应力分布图；

g)附有数据库，具有数据存储、处理数据、制图和管理功能，同时具有再开发功能；

h)根据测试需要可配备多种型号探头；

i)测量仪器便携，操作简便，测量成本低。

7.5仪器技术指标

a)工作频率为0~1000Hz，磁化工作电流为0.3~1.0A；

b)电源工作电压为220V（交流）/5V可充电锂电池；

c)非接触测量的最大间距为2.0mm；

d)应力检测范围±400MPa（可超过被测材料屈服强度20﹪）；

e)测量的相对不确定度为5％。

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7.6检测结果

检测结果可以以下几种形式展示：

a)测点处的主应力差的大小、方向及其分布图；

b)测点处主应力的大小、方向及其分布图；

c)测试x、y轴上的应力数据及其分布图；

d)测试结果的分析与表征。

8检测程序

8.1检测步骤

一般可按以下步骤进行残余应力检测：

a)完成测点和测试方案的整体设计；

b)完成试样各测点的表面状况确认；

c)连接好测试系统并运行测试软件系统；

d)按系统提示测点坐标开始逐点测量直到测量完成；

e)根据需要输出测试数据或应力分布图。

8.2检测数据处理

残余应力磁各向异性检测仪器可按要求输出相应应力大小、方向的数据及图片，并可直接进行数据

输出和图片的打印。如有特殊要求，可选用相关数据利用图形软件进行进一步处理。

8.3检测过程记录

a)记录实验室温度、湿度。

b)样品检测原始记录，获得的检测结果，应填写在样品检测记录卡，记录卡推荐格式见表2。

表2实验记录卡

试件名称材料牌号测试时间

试件生产厂家及

试件编号检测仪器及编号

批次

检测标准

检测条件

测试文件名及说明检测情况及结果备注

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试件名称材料牌号测试时间

检测人：审核人：

9检测报告

检测报告应当包括下列内容：

a）检测原理和方法；

b）试件名称、生产厂家等信息；

c）检测数据及图表，测试结果及分析；

d）检测时间与地点及环境条件；

e）检测过程中的异常情况；

f）检测结论及问题讨论。

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附录A

（资料性）

起草单位和主要起草人

本文件起草单位：

本文件主要起草人：

_________________________________

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前  言

本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》，GB/T20001.4

《标准编写规则第4部分：试验方法标准》给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会钢铁材料领域委员会（CSTM/FC01）提出。

本文件由中国材料与试验团体标准委员会钢铁材料领域委员会（CSTM/FC01）归口。

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轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法

1范围

本文件规定了轧制钢板残余应力磁各向异性检测方法的检测要求、检测原理、检测系统、检测程序、

检测报告。

本文件适用于单晶以及含有不同物相的多晶铁磁性轧制钢板试件检测。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB22448-2008500kV以下工业X射线探伤机防护规则

GB/T7704-2017无损检测X射线应力测定方法

GB/T24179-2009金属材料残余应力测定压痕应变法。

GB/T26140-2010无损检测测量残余应力的中子衍射方法

GB/T33210-2016无损检测残余应力的电磁检测方法

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

磁各向异性Magneticanisotropy

材料的磁特性尤其是磁导率在应力作用下随着方向的变化，并在不同的方向上呈现出差异的性质。

3.2

磁化线圈Magnetizingcoils

用于提供激励磁场、磁化待测试件的传感器线圈组件。

3.3

磁化电流Magnetizingcurrent

对待测试件进行磁化，以在其表面及一定深度得到必要磁化场而提供给磁化线圈的电流。

3.4

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检测线圈Detectioncoils

用于提取磁各向异性输出信号以获取应力状态的线圈组件。

3.5

应力系数Stresscoefficient

测量设备输出电压与被测试件应力值之间的关系系数。

3.6

输出电压Outputvoltage

由测量设备拾取、经过处理后检测线圈输出的电压值。

3.7

工作电压Operatingvoltage

仪器正常工作时所需的输入电压。

3.8

工作功率Operatingpower

仪器正常工作时所需的功率。

3.9

仪器测量精度Measuringaccuracyofinstrument

仪器测量值与真实值之间的接近程度，包含分辨率和精度两方面。

3.10

零应力试件Zero-stressspecimen

经过应力消除处理，残余应力为零或接近于零的标准试件。

3.11