下载文档原格式
钢结构残余应力的测试与分析郭应征【摘要】用实验分析的方法对钻孔法中构件应力的大小、应变片粘贴位置以及钻孔深度对测试灵敏度系数的影响进行了分析,并给出了相应的函数拟合曲线,为采用钻孔法对钢结构残余应力进行测试与分析提供了实验依据.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2010(050)004【总页数】3页(P13-14,42)【关键词】钻孔法;残余应力;灵敏度系数【作者】郭应征【作者单位】金肯职业技术学院,建筑与土木工程系,江苏,南京,211156【正文语种】中文【中图分类】TG4041 引言在钢构件的加工和焊接过程中,很容易产生残余应力。
由于残余应力的产生状况与构件的形状、尺寸以及焊接工艺等诸多因素有关,情况非常复杂,因此对残余应力进行准确测量和分析十分困难。
事实上,钢构件的残余应力的大小和分布状态对钢结构的脆性破坏、疲劳失效、应力腐蚀开裂都会产生重要影响。
工程中一些钢结构事故的统计分析表明,残余应力的影响是造成结构失效的重要原因。
因此,对钢构件内部的残余应力进行测试分析和安全评估是十分重要和必要的。
钻孔法是在有残余应力的钢构件表面钻孔,再根据孔周围部分的变形求出残余应力的方法。
该方法由德国学者 T.Mathar于1934年提出,经过半个世纪的发展,使得测量精度越来越高。
1981年,美国材料实验协会首次颁布了ASTM标准E837-81“用钻孔法应变测量决定残余应力的标准方法”,标志着钻孔法已进入工业应用阶段。
钻孔法不像无损检测法那样需要特殊的装置,而对母材的损伤程度又远不及其他一些有损检测方法,且简单易行、测量精度较高,因而在我国得到广泛的应用。
2 测试分析方法目前,我国最常用的钻孔法是Riparbelli法,即利用校正实验求残余应力的方法[1-2]。
如图1所示,在处于单向应力状态下的钢板上钻孔,设钻孔后应变片A的应变输出为A,则应力可由下式求得:图1 钻孔法示意图其中,KA为测试灵敏度系数,可通过已知荷载下的标定实验测出。
钻孔法测量残余应力测量原理钻孔法测量残余应力是基于材料力学中的应力释放原理。
当在材料表面钻孔时，孔周围的材料会发生弹性变形，这种变形会受到材料内部的残余应力的影响。
通过测量钻孔后的表面位移，可以确定孔周围的残余应力状态。
实验步骤钻孔法测量残余应力的实验步骤如下：1、选择合适的材料试件，进行表面处理，确保表面平整无杂质。
2、使用高精度的钻机在材料试件的表面钻孔，钻孔直径一般在0.5-1.0mm之间，孔深约为10-20mm。
3、在钻孔前、钻孔后和取下钻屑后分别使用光学显微镜观察孔周围的表面形貌，并记录下来。
4、根据观察到的表面形貌变化，计算出钻孔前后的位移量。
5、根据位移量和材料的弹性常数，计算出孔周围的残余应力。
精度分析钻孔法测量残余应力的精度主要受到以下因素的影响：1、钻孔直径和深度的精度：钻孔直径和深度的变化会影响位移量的测量精度，进而影响残余应力的计算精度。
2、表面处理质量：表面处理不干净会导致钻头受损，从而影响钻孔质量。
3、观察和测量误差：观察和测量表面形貌变化的过程中可能存在误差，导致位移量的计算不准确。
4、材料本身的力学性能：材料的弹性常数等力学性能参数的准确性也会影响残余应力的计算精度。
为了提高精度，需要采取以下措施：1、使用高精度的钻机和测量设备，确保钻孔直径和深度的准确性。
2、加强表面处理，确保表面干净无杂质。
3、使用高精度的光学显微镜进行观察和测量，减少人为误差。
4、对材料试件进行详细的质量和性能检测，确保其符合实验要求。
数据处理根据实验步骤中记录的位移量和材料的弹性常数，可以计算出孔周围的残余应力。
一般而言，钻孔法测量残余应力的数据处理可以采用以下步骤：1、计算钻孔前后的位移量差值，得到孔周围的位移变化量。
2、根据位移变化量和材料的弹性常数，利用应力释放原理计算孔周围的残余应力。
3、将计算得到的残余应力与实验前的预测值进行比较，评估测量结果的准确性。
4、如果测量结果不满足要求，可能需要重新进行实验，并检查实验步骤和数据处理方法是否正确。
PC残余应力检测标准一、钻孔应变释放法钻孔应变释放法是一种通过在混凝土中钻孔，然后测量钻孔周围的应变变化来推算残余应力的方法。
该方法主要适用于测量较浅的表面应力，同时要求钻孔周围无其他干扰因素。
该方法的优点是设备简单、操作方便，但精度相对较低，且对结构会造成一定损伤。
二、全释放应变法全释放应变法是一种通过在混凝土表面粘贴应变片，然后测量应变片的应变变化来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量较深层的应力，但精度受多种因素影响，如应变片的粘贴质量、温度变化等。
该方法的优点是能够测量深层应力，且对结构无损伤，但操作较为繁琐，需要专业人员操作。
三、电磁检测方法电磁检测方法是一种利用电磁感应原理来测量混凝土中钢筋应力的方法。
该方法通过在混凝土表面发射电磁波，然后接收反射回来的电磁波，通过分析反射波的相位和振幅等信息来推算钢筋的应力。
该方法适用于测量钢筋的应力，但精度受多种因素影响，如钢筋的位置、混凝土的密度等。
该方法的优点是不需要在混凝土中钻孔或粘贴应变片，对结构无损伤，但需要专业人员操作。
四、X射线衍射方法X射线衍射方法是一种利用X射线在混凝土中衍射产生的布拉格衍射峰来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但精度受多种因素影响，如混凝土的成分、密度等。
该方法的优点是能够测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但需要使用昂贵的设备，且操作需要专业人员。
五、中子衍射方法中子衍射方法是一种利用中子在混凝土中衍射产生的布拉格衍射峰来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但精度受多种因素影响，如混凝土的成分、密度等。
该方法的优点是能够测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但需要使用昂贵的设备，且操作需要专业人员。
六、超声临界折射纵波检测方法超声临界折射纵波检测方法是利用超声波在混凝土中传播的物理特性，通过对超声波传播速度、振幅、频率等参数的测量和分析，推算混凝土内部的残余应力。
金属材料残余应力测定钻孔应变法
金属材料残余应力测定钻孔应变法
金属材料在加工过程中，由于受到各种因素的影响，如温度、应力等，会产生残余应力。
残余应力是指在材料内部存在的一种应力状态，它
不是由外力引起的，而是由材料内部的微观结构和组织引起的。
残余
应力会影响材料的性能和寿命，因此对其进行测定和分析具有重要意义。
钻孔应变法是一种常用的测定金属材料残余应力的方法。
该方法利用
了材料的弹性变形特性，通过测量钻孔周围的应变来计算出残余应力。
具体操作步骤如下：
1. 在待测材料表面钻一个直径为d的小孔，孔深一般为材料厚度的
1/2到2/3。
2. 在孔壁上粘贴一根应变片，应变片的长度应大于孔深。
3. 用一台应变计测量应变片上的应变值。
4. 根据材料的弹性模量和泊松比等参数，计算出孔周围的残余应力。
钻孔应变法的优点是操作简单、精度高、适用范围广。
但也存在一些
局限性，如只适用于表面残余应力的测定，不能测定材料内部的应力；孔径和孔深的选择对测量结果有一定影响，需要根据具体情况进行选择。
总之，钻孔应变法是一种可靠的测定金属材料残余应力的方法，可以
为材料加工和使用提供重要的参考依据。
金属材料残余应力的测定方法巴发海;李凯【摘要】Residual stress will be induced into the materials by some machining forming processes,such as casting,forging,welding,spraying and so on.Residual stress is the major cause of the failure of components,and the accuracy measurement of stress state of the components has important significance for the control of the product quality.The principles and methods of residual stress measurement for metallic materials were introduced briefly, and the theories and standards of both sin2ψ method and cosα method for residual stress measurement were mainly described,and the developing trend of residual stress measurement in the future was prospected.%铸造、锻压、焊接、喷涂等各类机械加工成型过程都会使材料引入残余应力,残余应力的存在是构件失效的主要原因之一,准确测定工件的应力状态对产品质量的控制有着重要的意义.简要介绍了常用金属材料残余应力的测定原理与方法,概述了残余应力不同测试标准的适用性和局限性,重点阐述了sin2ψ 与cosα 两种X射线法测定残余应力的理论和标准,并展望了残余应力测定的发展方向.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2017(053)011【总页数】7页(P771-777)【关键词】残余应力;钻孔应变法;压痕应变法;超声法;X射线法;cosα方法【作者】巴发海;李凯【作者单位】上海材料研究所,上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海200437;上海材料研究所,上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437【正文语种】中文【中图分类】TG115.2残余应力是在没有外力或外力矩作用的条件下，构件或材料内部存在并且自身保持平衡的宏观应力。
··残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力[1]。
金属材料在机械加工（如切削、装配等）和热加工过程中（如铸造、锻压、焊接、热处理等）都会产生不同的残余应力。
外力或温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因[2]。
对于铸铁件，残余应力是在铸造冷却过程中，由于受热应力和构件形状尺寸及铸造技术等因素的影响而引起的结构应力以及材料的组织和成分引起的组织应力等综合作用的结果[3]。
残余应力对铸铁件的影响比其他钢制工件更甚，它影响了铸铁件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力和形状尺寸的稳定性，尤其是当铸铁件形状复杂，强度不高时，残余应力的存在会带来灾难性失效。
因此，残余应力的测量和消除，对于确保铸铁件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。
本研究以具有广泛应用背景的灰口铸铁件为例，结合金相组织观察和力学性能试验，探讨退火和砂型保温工艺消除残余应力的具体效果，以获得最佳的生产方案。
1试样制备与试验方法采用盲孔法测定铸态、铸造后退火和铸造后砂型保温的灰口铸铁件试样的残余应力。
灰口铸铁件的化学成分见表1。
灰口铸铁在正常状态下（保温12h ），即铸态，直接取样，记为H01。
铸态试样在450℃、550℃、650℃退火6h 和650℃退火12h 后取样，即退火态，记为HT1、HT2、HT3和HT4。
灰口铸铁砂型铸造后在型内分别保温24h 、48h 、60h 、72h 后取样，记为HB1、HB2、HB3、HB4。
三种不同状态灰口铸铁件试样的尺寸均为125mm ×7.5mm ×60mm 。
按CB 3395—92《残余应力测试方法：钻孔应变释放法》的要求，首先将试样被测部位表面打磨，使粗糙度达到2.2μm ，然后在清理后的测点位置贴上TJ120-1.5-Φ1.5应变花（电阻值115Ω，灵敏系数2.08），并把应变花导线和TS3861恒流式静态电阻应变仪连接到一起调平衡后，再利用ZDL-II 型钻孔装置在应变花的中心位置钻1个Φ1.5mm 深2.0mm 的小孔，使残余应力释放，通过应变仪测出应变值，计算出应力值。
残余应力测定方法（精）第二章残余应力测定方法残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。
物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。
它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。
它们是无损的测量方法。
其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。
磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。
物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。
特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。
机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。
残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。
从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。
因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。
一、分离法测量残余应力切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。
它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。
（一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。
在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。
然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。
切割后，再测应变计得到的释放应变。
它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。
释放后的残余应力计算方法如下：1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。
分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1）2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。
《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 [2011]29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Φ1.5⨯2.0mm），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Φ1.5X2.0mm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[1～27]，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650×300×24mm。
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R el=470MPa[1]。
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 1.5mm×2.0mm。
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]。
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]：)(21y x x k k εεσ∆+∆= （1） )(21x y y k k εεσ∆+∆= （2）式中：σx 、σy 分别为纵向残余应力和横向残余应力，∆εx 和∆εy 分别为释放应变∆ε扣除加工应变∆εm 后得到的纵向和横向的真实应变。
测量系数k 1= -1.48，k 2=0.37。
钻削加工应变∆εm 和释放应变∆ε的关系：∆εm =0.39∆ε-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σx 、σy 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σx 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σx 为拉应力，母材部分纵向残余应力σx 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σx 基本呈线性减小；垂直焊缝方向的横向残余应力σy 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113MPa，相差27%。
