1、金屬材料殘余應力測定鉆孔應變法國家標準編制說明1、工作簡況11任務來源根據(jù)全國鋼標準化技術委員會鋼標委201129號文件“關于轉(zhuǎn)發(fā)國家標準化管理委員會2011年第二批國家標準制修訂項目計劃的通知”所下達的國家標準修訂計劃，金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法標準列入國家標準修訂計劃，計劃編號為20111035-T-605。該標準由武漢鋼鐵（集團）公司、中國科學院金屬研究所和上海出入境檢驗檢疫局、武漢理工大學、武昌造船廠等單 位共同負責起草。2.2起草過程殘余應力的存在往往對構(gòu)件（特別是焊接產(chǎn)品）的使用帶來重大影響，如加速疲勞斷裂，促進應 力腐蝕開裂等，了解殘余應力大小和分布的主要方法就是應力的測

2、定。可以把現(xiàn)有的殘余應力測量方 法分成三大類：無損的物性法這一類方法利用材料在應力作用下物理性能發(fā)生變化的特點來測定殘余應力。例如X射線衍射法和中子衍射法利用材料的晶格常數(shù)在應力作用下發(fā)生變化形成不同的衍射峰來測定殘余 應力；磁性法利用材料在應力誘導下產(chǎn)生磁致伸縮效應或Baukhausen噪聲來測定殘余應力。這類方法的特點是非破壞性和對材料組織結(jié)構(gòu)的過分依賴。破壞或半破壞性的應力釋放法利用切割或鉆（套）孔使構(gòu)件中的殘余應力得到全部或部分釋放，根據(jù)釋放應變和釋放方法求出相應的殘余應力大小。此類方法多數(shù)利用電阻應變片作為測量敏感元 件，測定精度較高。例如全釋放應變法將構(gòu)件徹底切割破壞，使應力得以全

3、部釋放，對于應力梯度 不大的情況，可以獲得十分精確的結(jié)果；盲孔法屬于半破壞性方法，它要在構(gòu)件表面鉆一盲孔（一 般1.5 X2.0mm，在工程上應用較廣。這類方法的特點是破壞性和不受材料組織結(jié)構(gòu)控制，對大應力 梯度場的測量有誤差。無損的（壓痕）應力疊加法此類方法和應力釋放法相反，采用特定壓頭壓入材料表面，通過壓痕獲得附加應力場，再根據(jù)附加應力場誘導的位移場變化信息來獲得殘余應力，包括硬度法、納米壓 痕法和壓痕應變法。但硬度法和納米壓痕法目前只能定性測量，而壓痕應變法是其中最具現(xiàn)場應用 價值的方法，該方法的特點是非破壞性、方便性和準確性。小孔法是德國人 Mather于1934年最早提出的，此后，特

4、別是五十年代以后，許多國家的研究 者對此進行了大量的研究。到目前為止，小孔法已在美國、歐洲等許多國家采用，在我國也有許多 生產(chǎn)和研究單位采用。美國 ASTM于1981年正式頒布了 E837-81標準小孔法測量殘余應力標準試第1頁共9頁驗方法， 1985年、 1989年、 1995年、 1999年、 2001年和 2008年又作了六次修改與補充。1）基本原理 焊件內(nèi)部存在殘余應力場，在應力場內(nèi)任意處鉆一直徑和深度的盲孔后，該處的金屬連同其中 的殘余應力即被釋放，同時原有的殘余應力也失去平衡。此時盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應變， 其大小與被釋放的應力是相應的。測出這種釋放應變，即可利用相應的計算公

5、式（柯西公式）反求 測點處的原始殘余應力。2）測量前準備 釋放系數(shù)標定、附加加工應變的測定、鉆孔設備的檢查和調(diào)整，包括應變儀的使用。3）應變花的處理和粘貼待測構(gòu)件表面打磨、擦洗檢查應變花、用新鮮膠水粘貼應變花（兩個互相垂直的應變片分別平 行和垂直焊縫方向）4）鉆小孔、讀應變應變片貼好并固化后連接應變儀，鉆1.5X2.0mm小孔，鉆后10秒即可從應變儀上讀取釋放應變。5）計算殘余應力 按柯西公式或標定公式計算殘余應力的主應力和方向。目前鉆孔應變法已經(jīng)在國內(nèi)外的鋼鐵、水電、制鋁、電力等行業(yè)得到大量應用，已被科研院 所、高校和生產(chǎn)企業(yè)所廣泛接受。通過對國內(nèi)外有關標準及相關文獻進行了廣泛調(diào)研127，于

6、2012年8月提出金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法國家標準征求意見稿草案。2.3 制定本標準的原則查閱了大量的國內(nèi)外有關標準及相關文獻，可以直接借鑒的現(xiàn)成的國外標準和國內(nèi)標準有：ASTM E837-08 “ Determining residualstresses by the hole drillingstrain gagemethod”NPL measurement good practice guide 53 “ The measurement of residualstresses bythe incremental hole drilling technique”Techinica

7、l Note TN -503-5, Measurement of residual stresses by the hole drilling strain gauge method, Vishay Measurements Group, 1993SL 499-2012 “鉆孔應變法測量殘余應力的標準測試方法”CB 3395-92 “殘余應力測試方法 鉆孔應變釋放法”ASTM E837-08 采用高速鉆逐層鉆孔逐層測量應變的方法測定各向同性線彈性材料近表面的殘余 應力，適用于平面應力，且應力梯度較小的情形。 MG TN-503-5 與之內(nèi)容相似，為企業(yè)標準。SL 499-2012等同采用AST

8、M E837-08的主題內(nèi)容，但在附錄中增加了來自CB 3395-92中“鉆孔偏心的修正”和“孔邊塑性的修正” 。第 2 頁 共 9 頁第 3頁共9頁CB 3395-92采用低速鉆和事先標定常數(shù)一次鉆孔最終測量應變的方法測定金屬材料近表面的殘余應力，適合國內(nèi)大部分單位的實際情況。考慮到我國的實際，本標準將按照鉆孔速度分為二大部分，即二大方法，高速鉆方法和低速鉆方法。高速鉆的方法等同采用ASTM E837-08的主體內(nèi)容，低速鉆的方法則借用CB 3395-92采用低速鉆和事先標定常數(shù)一次鉆孔最終測量應變扣除加工應變的方法測定金屬材料近表面的殘余應力，但 內(nèi)容會有修改。考慮到鉆孔應變法測量結(jié)果的數(shù)

9、據(jù)波動度和重復性沒有其它物理測試量好的現(xiàn)實，最后吸收NPLmeasurement good practice guide 53“ The measurement of residual stresses by thein creme ntal hole drilli ng tech ni que”中不確定度的分析內(nèi)容作為資料性附錄供標準使用者參考。同時也吸收由英國國家物理實驗室組織20家單位開展鉆孔應變法和 X-射線法XRD勺實驗室間比對的結(jié)果作為資料性附錄供標準使用者參考。本標準草案的標題形式、整體結(jié)構(gòu)、層次劃分、編寫方法、術語與符號等技術內(nèi)容盡可能與GB/T 24179-2009 金屬材料

10、殘余應力測定壓痕應變法一致。2.4關于驗證試驗的說明高速鉆方法由于沒有加工應變是最理想鉆孔測量殘余應力的方法，因設備比較昂貴以及復雜現(xiàn) 場測試困難而在國內(nèi)沒有普及。國內(nèi)工程上使用比較多的鉆孔測量殘余應力的方法還是低速鉆的方 法比較普遍。盡管大量的研究和工程實踐表明，低速鉆測量殘余應力的方法也是能滿足工程實際需要的，但 作為標準制訂仍然有必要驗證低速鉆測量殘余應力的方法的結(jié)果與其它方法的一致性。那如何來驗 證呢？雖然目前各種測量方法均有一定的誤差，但是采用某些有標準可依的方法進行相互驗證還是 可以說明問題的，如 X射線衍射法和壓痕應變法。在材料無織構(gòu)、晶粒不是過分粗大的情況下，X射線法應是驗證釋

11、放應變法測量結(jié)果較為合適的手段。因此在本標準的制訂過程中，選擇焊接試板測試對象，開展了鉆孔應變法與壓痕應變法與X射線衍射法之間的驗證試驗。2.4.1實驗材料與測量設備選取相同焊接試板進行殘余應力測試對比試驗，試板材料14MnNbq屈服強度 380MPa抗拉強度520MPa尺寸650X 300x 24mm采用 WQ-1焊絲+SJ101焊劑，焊接熱輸入為 36KJ/cm, X型坡口。 熔敷金屬的力學性能 Rl=470MPa。盲孔法應力測量采用漢中產(chǎn)三向應變花BE120-2CA-K,蘭州產(chǎn) CCZ-2型測鉆儀，鉆孔1.5mmX2.0mmo武鋼研究院、中科院金屬研究所和上海出入境檢驗檢疫局三家單位分別

12、采用盲孔法對同一塊 焊接試板進行了殘余應力測試，測試點分布如圖1所示。為對比三種殘余應力測試方法，武鋼研究院又分別采用壓痕法和X射線衍射法對所選取的焊接試板進行了殘余應力測試，測試點分布如圖1所示。壓痕法應力測量采用漢中產(chǎn)雙向應變片BE120-2BA，測試沿焊縫方向的縱向殘余應力和垂直焊縫第 3頁共9頁方向的橫向殘余應力，選用測量設備為中科院金屬研究所研制的KJS-2型壓痕應力測試儀。壓痕打擊裝置形成壓痕后，測試儀自動讀取縱向殘余應變和縱向殘余應變的應變增量，再按測試儀面板上的“應力”鍵，儀器內(nèi)置程序自動進行縱向殘余應力和橫向殘余應力的計算。X射線衍射法測量選用測量設備為愛特斯研究所生產(chǎn)的X射

13、線衍射分析儀，測試縱向殘余應力，測試前必須對表面進行清理和電解拋光。測試過程參照國家標準GB/T 7704-2008無損檢測X射線應力測定方法進行2。300W90O76252423222106045752523圖1殘余應力測試點分布圖2.4.2試驗結(jié)果與分析圖1中測試點1至點5、點6至點10以及電11至點15分別為中科院金屬研究所、上海出入境 檢驗檢疫局和武鋼研究院三家單位采用盲孔法測試殘余應力的測試點。通過應變片采集得到縱向和 橫向的釋放應變，扣除相應的鉆削加工應變，得到真實應變，再依據(jù)盲孔法計算公式求得沿縱向和 橫向的殘余應力3。盲孔法計算公式如下 ：j *1（厶 k、）C 1）二 y *

14、1（" k ；x）（ 2）式中：；二、Cy分別為縱向殘余應力和橫向殘余應力，亠和y分別為釋放應變扣除加工應變Lm后得到的縱向和橫向的真實應變。測量系數(shù)k1= -1.48 , k2=0.37。鉆削加工應變厶；m和釋放應變 的關系：厶；m=0.39-13。依據(jù)公式（1）和公式（2）得到三家單位殘余應力測試結(jié)果如表1至表3所示。為研究縱向殘余應力和橫向殘余應力隨測試點離焊縫距離的分布規(guī)律，繪制三家單位測試殘余應力二x、；與測點離焊縫中心距離曲線圖，如圖2和圖3所示。觀察圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)三家單位測試結(jié)果都存在同樣的規(guī)律：沿焊縫方向縱向殘余應力-x在焊縫中心位置最大，測量值基本接近材料的屈服

15、強度，在焊縫及熱影響區(qū)縱向殘余應力云為拉應力，母材部分縱向殘余應力&為壓應力，且隨著測試點離焊縫中心距離變遠，縱向殘余應力：:X基本呈線性減小；垂直焊縫方向的橫向殘余應力二y在焊縫中心位置最大，基本表現(xiàn)為拉應力，熱影響區(qū)及母材位置分布其它4個測試點均為壓應力，且橫向殘余應力測試值變化幅度較小，無明顯規(guī)律。三家單位采用盲孔法測試殘余應力的變化規(guī)律存在很好的一致性。但各測試點殘余應力測量值第 4頁共 9 頁第 3頁共9頁存在一定的偏差，峰值應力最大相差113 MPa，相差27%。這與諸多因素有關，譬如測試點打磨程度的不同、鉆孔深度的不同，局部組織不均勻等等。同一塊試板上沒有完全相同的測試點

16、，三家單 位測試結(jié)果的不同，工程上是可以接受的。表1中科院金屬所盲孔法測試殘余應力結(jié)果測點 編號測點焊 縫中心 距離/mm釋放應變真實應變殘余應力/MPaMx16386-17653-98-40245-25-8-28-1-11332-19763-10751130-17416-338149-193104229-4850-552179-324122412-4表2上海出入境檢驗檢疫局盲孔法測試殘余應力結(jié)果測點 編號測點焊 縫中心 距離/mm釋放應變真實應變殘余應力/MPa込AsyJ66649-7439-68-36748-2424-228-13-40832-2492-13914198-55919-376

17、201-216136246-82100-433111-2518132718表3武鋼研究院盲孔法測試殘余應力結(jié)果測點 編號測點焊 縫中心 距離/mm釋放應變真實應變殘余應力/MPaxyxyJ61172137-8978-147-651253-3218-724-3-321335-21294-11670134-401419-378207-218139246-87150-38360-2215029947A;arM(x 力應余殘向縱40 .20 /0b力應余殘向橫00中科院金屬研究所上海出入境檢驗檢疫局武漢鋼鐵研究院測點離焊縫中心距離（mm80o o o O24 6 8 - - -圖2三家實驗室測試縱向殘

18、余應力；x與圖3三家實驗室測試橫向殘余應力二y與測點離焊縫中心距離的關系測點離焊縫中心距離的關系為進一步豐富金屬材料殘余應力測定鉆孔應變法國家標準制訂的工作，武鋼研究院還采用目前殘余應力測定中應用較廣的壓痕法和X射線衍射法對同一塊焊縫試板進行了殘余應力測定，測試結(jié)果如表 4和表5所示。由于 X射線衍射儀測試到橫向殘余應力 :-y變化十分微弱，不便于測 量，只記錄了縱向殘余應力 Cx的測量結(jié)果。比較 3種方法測試的縱向殘余應力 匚x隨測試點離焊縫距 離的分布規(guī)律，如圖 4所示。比較圖4中3條曲線，發(fā)現(xiàn)盲孔法測試縱向殘余應力峰值最大，壓痕法次之，X射線衍射法最小。表4武鋼研究院壓痕法測試殘余應力結(jié)

19、果測點 編號測點焊縫中心距離/mm真實應變殘余應力/MPaxAsyJCTy1675-114-242-124-591756-267-2721291842-572-171160-251925-689-21724738200-7890279-76第 9頁共9頁x'b力應余殘向縱120表5武鋼研究院X射線衍射儀法測試殘余應力結(jié)果測點 編號測點焊縫中心距離/mm殘余應力X/MPa21104-1212264-28234410424322282522268260197圖4武鋼研究院采用不同方法測試縱向殘余應力cx與測點離焊縫中心距離關系圖2.4.3結(jié)論1）中科院金屬研究所、上海出入境檢驗檢疫局和武鋼

20、研究院三家單位采用盲孔法測試殘余應力結(jié)果證實殘余應力的分布存在很好的一致性。沿焊縫方向縱向殘余應力-x在焊縫中心位置最大，測量值基本接近材料的屈服強度，在焊縫及熱影響區(qū)縱向殘余應力；二為拉應力，母材部分縱向殘余應力:.X為壓應力，且隨著測試點離焊縫中心距離變遠，縱向殘余應力&基本呈線性減小；橫向殘余應力；：.y在焊縫中心位置最大，基本表現(xiàn)為拉應力，熱影響區(qū)及母材位置分布其它4個測試點均為壓應力，且橫向殘余應力測試值變化幅度較小，無明顯規(guī)律。2） 武鋼研究院分別采用盲孔法、壓痕法和X射線衍射法對同一塊焊縫試板進行了殘余應力測定，殘余應力結(jié)果證實殘余應力的分布存在很好的一致性，發(fā)現(xiàn)盲孔法測

21、試縱向殘余應力二X峰值最大，壓痕法次之，X射線衍射法最小。2.5關于增加不確定度等相關信息的說明鉆孔應變法影響測量殘余應力結(jié)果的因素特別多，所以測量結(jié)果的數(shù)據(jù)波動度和重復性沒有其它物理測試量好，給人一個錯覺，這個方法好像不太靠譜。自從1934年德國人 Mather于1934年最早提出這個測量方法以來，無數(shù)的研究者對其測量的影響因素或測量不確定度進行了研究，取得大量的研究成果。其中影響比較大的是17個歐洲不確定度項目(UNCERT )中由德國主持的鉆孔應變測量殘余應力不確定度報告CoP 15。這個2000年發(fā)布的報告第一次按照金屬材料力學性能測試不確定度的通用模式系統(tǒng)歸納了鉆孔應變測量殘余應力不

22、確定度的影響因素和構(gòu)成分量，并給出了一個計算步驟的例子。 2002年發(fā)布的 NPL measurement good practice guide 53 則在 CoP 15的基礎上進一步完善，給出了一個包含44個影響因素(實際上可能不止這些)的不確定度來源表，并對各因素的不確定度貢獻大小進行了評價。通過實驗室間的比對、不同測量方法之間的比對也是研究和認識鉆孔應變法的重要手段。這方面的比對研究一直不斷，但迄今為止，比對范圍最廣，影響較大的一次比對是2000年由NPL牽頭組織英國20家單位開展鉆孔應變法和X-射線法XRD的實驗室間比對。下表6是這次比對的最終結(jié)果。MaterialMaumiim R

23、jesidusl(MFa)XRDAs retuivedstMlC±313O±3OShot pern rd spring-540127-484 ± 322 *Qunchd duraunium-16U37因此標準制訂中，選擇NPL measureme nt good practice guide 53中的不確定度來源表和上表6作為資料性附錄供標準相關使用者對測量結(jié)果分析時參考，同時有助于正確認識鉆孔應變法，對之 有一個理性的看法。參考文獻：1 李榮鋒.爆炸預處理提高焊接接頭熱影響區(qū)韌性的研究D/南京：南京化工大學，2000.2 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，

24、中國國家標準化管理委員會.GB/T7704-2008無損檢測X射線應力測定方法S.北京：中國標準出版社，2008.3 陳懷寧，陳亮山，董秀中.盲孔法測量殘余應力的鉆削加工應變J.焊接學報.1994,15:276-2804 王嘉麟.球形儲罐焊接工程技術M，北京：機械工業(yè)出版社，2000.5 王慶明，孫淵.殘余應力測試技術的進展與動向J.機電工程，2011，28(1) : 11-15 . 王江超，周方明小孔法測量焊接殘余應力J.電焊機，2008，38(2) : 64-66 .7 劉曉紅，蘇文桂，等.屈服狀態(tài)下盲孔法測量殘余應力孔邊應變釋放系數(shù)修正J.鑄造技術，2010，31(1) : 3639.8 趙海燕，裴怡，史耀武，等用小孔釋放法測量焊接高殘余應力時孔邊塑性變形對測量精度的影響及修正方法J.機械強度，1996，18(3) : 17-20 .5Beaney E M . Accurate measurement of residual stress on any steel using the cen