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1、金属材料 残存应力测定 钻孔应变法国标编制阐明1、 工作简况1.1 任务来源根据全国钢原则化技术委员会钢标委 29号文献“有关转发国标化管理委员会第二批国标制修订项目筹划的告知”所下达的国标修订筹划，金属材料 残存应力测定 钻孔应变法原则列入国标修订筹划，筹划编号为1035-T-605。该原则由武汉钢铁（集团）公司、中国科学院金属研究所和上海出入境检查检疫局、武汉理工大学、武昌造船厂等单位共同负责起草。2.2 起草过程残存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，增进应力腐蚀开裂等，理解残存应力大小和分布的重要措施就是应力的测定。可以把既有的残存应力测量措施提成
2、三大类：无损的物性法 这一类措施运用材料在应力作用下物理性能发生变化的特点来测定残存应力。例如X射线衍射法和中子衍射法运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存应力；磁性法运用材料在应力诱导下产生磁致伸缩效应或Baukhausen噪声来测定残存应力。此类措施的特点是非破坏性和对材料组织构造的过度依赖。破坏或半破坏性的应力释放法 运用切割或钻（套）孔使构件中的残存应力得到所有或部分释放，根据释放应变和释放措施求出相应的残存应力大小。此类措施多数运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，使应力得以所有释放，对于应力梯度不大的状况，可以获
3、得十分精确的成果；盲孔法属于半破坏性措施，它要在构件表面钻一盲孔（一般F1.52.0mm），在工程上应用较广。此类措施的特点是破坏性和不受材料组织构造控制，对大应力梯度场的测量有误差。无损的（压痕）应力叠加法 此类措施和应力释放法相反，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存应力，涉及硬度法、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措施，该措施的特点是非破坏性、以便性和精确性。小孔法是德国人Mather于1934年最早提出的，此后，特别是五十年代后来，许多国家的研究者对此进行了大量
4、的研究。到目前为止，小孔法已在美国、欧洲等许多国家采用，在国内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原则小孔法测量残存应力原则实验措施，1985年、1989年、1995年、1999年、和又作了六次修改与补充。1) 基本原理焊件内部存在残存应力场，在应力场内任意处钻始终径和深度的盲孔后，该处的金属连同其中的残存应力即被释放，同步原有的残存应力也失去平衡。此时盲孔周边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，即可运用相应的计算公式（柯西公式）反求测点处的原始残存应力。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
5、和调节，涉及应变仪的使用。3)应变花的解决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) 计算残存应力按柯西公式或标定公式计算残存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、高校和生产公司所广泛接受。通过对国内外有关原则及有关文献进行了广泛调研127，于8月提出金属材料 残存应力测定 钻孔应变法国标征求意见稿草案。2.3 制定本原则的原则查阅了大量的国内外有
6、关原则及有关文献，可以直接借鉴的现成的国外原则和国内原则有：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
7、 hole drilling strain gauge method, Vishay Measurements Group, 1993SL 499- “钻孔应变法测量残存应力的原则测试措施”CB 3395-92 “残存应力测试措施 钻孔应变释放法”ASTM E837-08采用高速钻逐级钻孔逐级测量应变的措施测定各向同性线弹性材料近表面的残存应力，合用于平面应力，且应力梯度较小的情形。MG TN-503-5 与之内容相似，为公司原则。SL 499-等同采用ASTM E837-08的主题内容，但在附录中增长了来自CB 3395-92 中“钻孔偏心的修正”和“孔边塑性的修正”。CB 3395-92采
8、用低速钻和事先标定常数一次钻孔最后测量应变的措施测定金属材料近表面的残存应力，适合国内大部分单位的实际状况。考虑到国内的实际，本原则将按照钻孔速度分为二大部分，即二大措施，高速钻措施和低速钻措施。高速钻的措施等同采用ASTM E837-08的主体内容，低速钻的措施则借用CB 3395-92采用低速钻和事先标定常数一次钻孔最后测量应变扣除加工应变的措施测定金属材料近表面的残存应力，但内容会有修改。考虑到钻孔应变法测量成果的数据波动度和反复性没有其他物理测试量好的现实，最后吸取NPL measurement good practice guide 53 “The measurement of re
9、sidual stresses by the incremental hole drilling technique”中不拟定度的分析内容作为资料性附录供原则使用者参照。同步也吸取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的实验室间比对的成果作为资料性附录供原则使用者参照。本原则草案的标题形式、整体构造、层次划分、编写措施、术语与符号等技术内容尽量与 GB/T 24179- 金属材料 残存应力测定 压痕应变法一致。2.4 有关验证明验的阐明高速钻措施由于没有加工应变是最抱负钻孔测量残存应力的措施，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
10、钻孔测量残存应力的措施还是低速钻的措施比较普遍。尽管大量的研究和工程实践表白，低速钻测量残存应力的措施也是能满足工程实际需要的，但作为原则制定仍然有必要验证低速钻测量残存应力的措施的成果与其他措施的一致性。那如何来验证呢？虽然目前多种测量措施均有一定的误差，但是采用某些有原则可依的措施进行互相验证还是可以阐明问题的，如X射线衍射法和压痕应变法。在材料无织构、晶粒不是过度粗大的状况下，X射线法应是验证释放应变法测量成果较为合适的手段。因此在本原则的制定过程中，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明验。2.4.1 实验材料与测量设备选用相似焊接试板进行残存应力
11、测试对比实验，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查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存应力测试，测试点分布如图1所示。为对比三种残存应力测试措施，武钢研究院又分别采用压痕法和X射线衍射法对所选用的焊接试板进行了残存应力测试，测试点分布如图1所示。压痕法应
12、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存应力和垂直焊缝方向的横向残存应力，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存应变和纵向残存应变的应变增量，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存应力和横向残存应力的计算。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，测试纵向残存应力，测试前必须对表面进行清理和电解抛光。测试过程参照国标GB/T 7704-无损检测 X射线应力测定措施进行2。5432110987611121314151617181920275275300
13、300YX焊缝212223242526325图1 残存应力测试点分布图2.4.2 实验成果与分析图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、上海出入境检查检疫局和武钢研究院三家单位采用盲孔法测试残存应力的测试点。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，再根据盲孔法计算公式求得沿纵向和横向的残存应力3。盲孔法计算公式如下4： （1） （2）式中：sx、sy分别为纵向残存应力和横向残存应力，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De
14、m和释放应变De的关系：Dem=0.39De-13。根据公式（1）和公式（2）得到三家单位残存应力测试成果如表1至表3所示。为研究纵向残存应力和横向残存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存应力sx、sy与测点离焊缝中心距离曲线图，如图2和图3所示。观测图2和图3可以发现三家单位测试成果都存在同样的规律：沿焊缝方向纵向残存应力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存应力sx为拉应力，母材部分纵向残存应力sx为压应力，且随着测试点离焊缝中心距离变远，纵向残存应力sx基本呈线性减小；垂直焊缝方向的横向残存应力sy在焊缝中心位置最大，基本体现为拉
15、应力，热影响区及母材位置分布其他4个测试点均为压应力，且横向残存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存应力的变化规律存在较好的一致性。但各测试点残存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，譬如测试点打磨限度的不同、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似的测试点，三家单位测试成果的不同，工程上是可以接受的。表1 中科院金属所盲孔法测试残存应力成果测点编号测点焊缝中心距离/mm释放应变真实应变残存应力/MPa16386-17653-98-40245-25-8-28-1-11332-19763-10751130-17416-338149-193104229-4850-552179-324122412-4表2 上海出入境检查检疫局盲孔法测试残存应力成果测点编号测点焊缝中心距离/mm释放应变真实应变残存应力/MPa
