金屬材料殘余應力測定壓痕應變法2023-08-06發布國家市場監督管理總局國家標準化管理委員會GB/T24179—2023前言 I1范圍 2規范性引用文件 3術語和定義 4符號和說明 5原理 26測量設備和材料 47測量步驟 58應力計算函數的確定 9試驗報告 附錄A(規范性)不同測量條件下的應力計算方法 9附錄B(資料性)與母材強度不匹配的焊縫應力計算方法 附錄C(資料性)應變函數的數值標定方法 參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件代替GB/T24179—2009《金屬材料殘余應力測定壓痕應變法》,與GB/T24179—2009相比，除結構調整和編輯性改動外，主要技術變化如下：a)將術語“標定系數”更改為“應變函數”(見第3章，2009年版的第3章);b)更改了部分符號和說明(見第4章，2009年版的第4章);c)更改了原理描述(見第5章，2009年版的第5章);d)刪除了有關分段線性關系公式(2)說明內容，刪除了公式(3)(見2009年版的第5章);e)刪除了60Ω應變花電阻值(見2009年版的6.2.1);f)更改了片基厚度的要求(見6.2.1,2009年版的6.2.1);g)更改了壓頭直徑上限(見6.2.3,2009年版的6.4.1);h)刪除了規范性引用的GB/T230.2(見2009年版的6.4.1);i)增加了對標定試板熱處理消除應力工藝的具體規定(見8.2.1);j)明確至少采用7個～8個應力水平進行標定以獲得更為精確的應變函數，增加了標定時最大外加應力應小于材料彈性極限而非屈服極限的要求(見8.3.3,2009年版的8.2.3);k)更改了非主應力方向的標定步驟(見8.5,2009年版的8.4);1)試驗報告中增加了“所用應變計、應變儀、壓痕產生設備型號”(見第9章，2009年版的第9章)。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國鋼鐵工業協會提出。本文件由全國鋼標準化技術委員會(SAC/TC183)歸口。本文件起草單位：中國科學院金屬研究所、東莞材料基因高等理工研究院、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司、武漢華拓量測科技有限公司、中鋁材料應用研究院有限公司、廣東火炬檢測有限公司、廣船國際有限公司、廣東省中山市質量計量監督檢測所、武漢鋼鐵有限公司、冶金工業信息標準研究院。本文件于2009年首次發布，本次為第一次修訂。1金屬材料殘余應力測定壓痕應變法本文件規定了采用壓痕應變法測定金屬材料表面殘余應力的基本原理、測量設備和材料、測量步驟、應力計算函數的確定和試驗報告。本文件適用于硬度不大于50HRC的各種金屬材料表面殘余應力的測定。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T231.2金屬材料布氏硬度試驗第2部分：硬度計的檢驗與校準JJG623電阻應變儀檢定規程3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。應變增量strainincrement在材料表面產生壓痕后，由殘余應力場和球形壓痕共同誘導的應變變化相互疊加后產生的應變變化(輸出)量。應變函數straincalculationfunction應變增量和彈性應變的關系函數。注：與被測材料、應變花形狀、球形壓痕大小有關，一般可通過標定試驗得到，用于應力計算，也可簡稱為應力計算函數。4符號和說明本文件使用的符號和說明見表1。表1符號和說明符號說明單位A?零應力下的應變增量A?~A?應變函數的系數 E被測材料的彈性模量2表1符號和說明(續)符號說明單位被測材料的規定塑性延伸率為0.2%時的應力MPaR?母材的規定塑性延伸率為0.2%時的應力MPaR?焊縫熔敷金屬的規定塑性延伸率為0.2%時的應力MPaa敏感柵1的長度方向與主應力x方向的夾角彈性應變沿x方向的彈性應變沿y方向的彈性應變E10.2對應于Rpo.2的應變應變增量沿x方向的應變增量(沿主應力或平行焊縫方向)沿y方向的應變增量(沿主應力或垂直焊縫方向)η與焊縫材料性質有關的修正系數，取值范圍1～1.1沿x方向的應力(沿主應力或平行焊縫方向)MPa沿y方向的應力(沿主應力或垂直焊縫方向)MPaM采用母材應變函數得到的焊縫應力MPa修正后的焊縫應力MPaU被測材料的泊松比5原理在平面應力場中，由壓入球形壓痕產生的材料流變會引起受力材料的松弛變形(拉應力區材料縮短，壓應力區材料伸長),與此同時，由壓痕自身產生的彈塑性區及其周圍的應力應變場在殘余應力的作用下也要產生相應變化。這兩種變形行為的疊加所產生的應變變化量可稱之為疊加應變增量(簡稱應變增量)。利用球形壓痕誘導產生的應變增量求解殘余應力的方法就叫作壓痕應變法。壓痕應變法采用電阻應變計作為測量用的敏感元件，在敏感柵軸線中心點通過機械加載產生一定尺寸的壓痕，見圖1,通過應變儀記錄應變增量數值，利用事先對所測材料標定得到的彈性應變與應變增量的關系得到殘余應變大小，再利用胡克定律求出殘余應力。3應變增量Ac/μc應變增量Ac/μcσy圖1壓痕應變法測量殘余應力示意圖研究表明，一定尺寸的球形壓痕在殘余應力場中產生的應變增量與殘余彈性應變之間存在確定的三次方關系(見圖2所示的拉伸應變區規律，壓縮應變區類似),即可將應變增量△e與彈性應變ε。的關系用公式(1)表示。A?——零應力下的應變增量；彈性應變&/μt圖2應變增量與彈性應變之間的關系當在非主應力方向標定或測量應力時，如果此時主應力大于0.3Rpo?或夾角大于10°,則常數A?~A?要發生變化(A。值不變),它是一個與主應力方向夾角α有關的函數，見圖2,其關系如公式(2)所α——應力方向與加載方向的夾角，以逆時針轉到主應力方向為正，范圍±45°46測量設備和材料6.1應變記錄儀應變記錄儀至少應滿足JJG623中的1.0級要求。6.2.1應選雙向或三向直角應變花(見圖3)。應變計電阻值為120Ω,片基厚度應不大于50μm。6.2.2為測量的方便性和準確性，所選用的應變計外形尺寸不宜太大，長寬尺寸推薦5.0mm~10.0mm;敏感柵尺寸的長寬尺寸為1.0mm～2.0mm。6.2.3敏感柵端到壓痕中心的距離與產生的壓痕直徑有關。壓頭直徑一般在1.0mm～2.0mm,對應的壓痕直徑在0.8mm～1.5mm,敏感柵端到壓痕中心距離在2.5mm～4.0mm較為適宜。6.2.4為便于產生壓痕，應變花上應刻有敏感柵軸線的交點標記作為壓痕中心點。a)雙向應變花b)三向直角應變花c)三向應變花標引序號說明：敏感柵1與敏感柵3成90°,敏感柵2與敏感柵1成45°或135°。圖3壓痕應變法測量殘余應力用應變花6.3壓痕對中裝置為準確地在應變計敏感柵軸線的交點位置上產生壓痕，需要事先通過光學放大鏡對中并通過相應裝置確保對中精度。建議選用放大倍數20倍～40倍、內置十字刻度線的顯微鏡。6.4壓痕產生裝置6.4.1試驗應采用硬質合金球形壓頭，壓頭直徑范圍為1.0mm～2.0mm。所采用硬質合金壓頭應符合GB/T231.2中對硬質合金球的要求。6.4.2壓痕產生可采用靜力加載方式，也可采用沖擊加載方式。無論采用何種加載方式，為確保測量過程中獲得確定的壓痕尺寸，應保證測量時所用力或能量與試驗標定時所用的相同。6.4.3壓痕深度宜控制在0.1mm～0.3mm。57測量步驟7.1概述壓痕應變法測量殘余應力的過程可分為4個步驟：被測構件的表面準備、應變計的粘貼、壓痕產生和數據處理。7.2被測構件的表面準備表面準備是指為了滿足粘貼應變計和產生壓痕的需要而進行的表面平整過程，一般按以下順序進行。a)確定測量位置：測量位置的劃定要根據應力分析的要求和被測構件表面附近的空間狀態來確定。b)表面粗磨：對焊縫或氧化皮嚴重的測量位置進行平整處理，打磨時應用力均勻、適當，避免打磨時表面過熱變色。c)表面拋光：對于經過粗磨或原始平整的表面，采用拋光輪進行表面拋光處理，便于粘貼應變計并能減小由于表面粗磨可能造成的附加應力影響。d)手工打磨：采用100#～200#的砂布，對拋光過的表面作進一步手工打磨處理，打磨時可在兩個相互垂直的方向上來回進行。通過此步驟可以使應變計粘貼更牢固，也可以進一步減小可能由機械打磨或拋光引入的附加應力。7.3應變計的粘貼7.3.1若已知主應力方向，可以采用雙向應變計測量殘余應力：將兩個垂直敏感柵分別沿主應力方向粘貼，或在測量焊接殘余應力時，將敏感柵沿與焊縫平行(X向)和垂直(Y向)方向粘貼。否則采用三向應變計。7.3.2按應變計使用說明粘貼應變計，建議采用應變計粘貼專用膠水，通過手指擠壓的方式保證應變計下方的膠層盡量薄。7.3.3待應變計粘貼后30min或更長時間，按圖4所示的應變計切割線在壓痕產生點附近用刀片劃斷應變計基底。仔細觀察應變計，確保粘貼牢固，并且應變計上方無多余膠水。單位為毫米圖4應變計切割線7.4壓痕產生粘貼應變計1h～4h后，將應變計上的壓痕產生點與顯微鏡中心點調節至重合。壓痕的對中偏差6應不大于0.05mm。顯微鏡和壓頭用對中、導向裝置對中調節時可采用與圖5類似的三爪固定裝置輔助完成。注：粘貼應變計干燥時間與溫度有關，環境溫度越高，測量工件表面溫度越高，粘貼劑達到符合要求強度的干燥時間越短。過短的干燥時間會影響應力傳遞。標引序號說明：1——導向筒；2——對中微調螺鈕。圖5顯微鏡和壓頭用對中、導向裝置示意圖7.5數據處理7.5.1記錄壓痕產生前后的應變差值(應變增量)。7.5.2根據公式(1)或公式(2)和圖6得到相應的彈性應變。7.5.3按平面胡克定律計算殘余應力，計算方法按照附錄A的要求執行，誤差修正可見附錄B。8應力計算函數的確定8.1通則應力測量前，一般需要根據被測材料通過標定試驗確定公式(1)中的系數，非試驗的數值標定可參照附錄C。8.2標定試板8.2.1標定用試板應采用與待測結構相同的材料制作，同時標定試板應先經過機械加工再進行消除內應力。采用熱處理方法消除內應力時，應采用足夠高的溫度和時間，確保處理后的試板內含殘余應力在士20MPa范圍內(可采用X射線或全釋放應變法檢測),但同時應避免熱處理引起材料性能發生明顯變化，例如應保證強度下降不超過30MPa或10%Rpo.2(取數值較小者)。8.2.2推薦采用的標定試板尺寸：長200mm～500mm(短長度用于壓縮標定),寬50mm~100mm,厚度一般不小于12mm。對于厚度小于6mm且大于2mm的薄板，產生壓痕時可在試板背面緊貼一塊襯板以增加試板剛度。8.3標定方法8.3.1從試板中心部位開始，向兩側粘貼雙向應變花，兩個應變花的間距應不小于20mm。粘貼應變花時的注意事項如7.3所述。應變花兩個相互垂直的敏感柵方向應與試板的長度(同拉伸方向)和寬度一致。78.3.2應變計固化1h～4h后，在加載設備上首先用0.8Rpo.2的應力水平拉伸試板一次，觀察卸載后應變計的應變變化情況，確定粘貼質量。加載方法盡量采用單向拉伸和壓縮，條件受限時可以考慮采用三點彎曲的方法，但應注意應變花粘貼位置要避開加載位置的圣維南效應。8.3.3為了擬合出光滑曲線，至少選擇7個～8個不同的應力水平進行標定，尤其是拉應力下要有足夠的標定點數。建議的標定應力水平為：-0.7Rm?、-0.5R?、-0.3R?、0、0.3Rm2、0.5R?2、0.7R?、0.8Ro?。如果各點之間的數值差別有突變，應增加標定點數。無論哪種材料，均應確保最大標定應力不超過材料的彈性極限。8.4標定數據的處理8.4.1在取得上述不同應力水平下的應變增量數據后，可按照以下方法進行標定數據的處理。8.4.2將所得數據繪制成如圖6所示的標定曲線。圖6中橫坐標為標定過程中對應于外加應力的彈性應變(ee),縱向坐標為壓痕應變增量(△e),即在特定壓痕制造系統下(固定的壓頭尺寸和壓力),與彈性應變對應的輸出應變值。標引序號說明：曲線1——e。和△e的關系曲線；曲線2——e大于0.5εo?時Y向應變增量的修正曲線。圖6標定數據的處理8.4.3圖6中虛線是將0.5Ryo?、0.7R?和0.8Ro?拉應力下橫向應變計的應變增量連線后得到的。此時橫向應變計受到外加壓縮應變(數值等于一ve。),但輸出的應變增量變化規律與直接受壓縮時縱向應變計輸出的應變增量有所不同。這是在高值拉伸應力情況下，橫向應變輸出偏離呈直線規律的一種現象，此現象在高值的雙向拉伸應力場中同樣存在。8.5非主應力方向的應力計算函數確定如果需要確定非主應力方向的應變增量與彈性應變之間的關系，可以采用類似方法進行不同角度對應角度下一系列類似于公式(2)所表達的應變增量與彈性應變的關系。9試驗報告試驗報告至少應包括如下內容：8c)殘余應力測點位置及測量結果；d)測試材料(包括焊縫金屬)及狀態(是否熱處理等)的說明，特別應注明材料的實際塑性延伸強度。9應變增量應變增量(規范性)不同測量條件下的應力計算方法A.1已知主應力方向在獲得應變增量△ex、△ey后，利用公式(1)求得彈性應變εg、εy,然后按公式(A.1)計算殘余應力式中：E——彈性模量；v——泊松比。如果此時計算得到的某方向彈性應變ε。大于0.5εo2,而另一方向的彈性應變ε。小于0.5εro.2,則需要對小應變方向的應變增量進行修正，按修正后的應變增量重新計算彈性應變3]。具體修正過程如下(見圖A.1,假定此時彈性應變ε大于0.5eo.z):a)由應變增量△e,得到彈性應變ε;b)按一vee得到△ep;c)按△ey—△ep(而不是按△ey)得到彈性應變εey。曲線2Ee0殘余應變-400-1000標引序號說明：曲線1——ee和△e的關系曲線；圖A.1X單向彈性應變大于0.5go?時對Y向應變增量的修正GB/T24179—2023A.2未知主應力方向在任意方向的應力場中，如果獲得的最大拉伸彈性應變小于0.3ew.2,或者已知所貼應變花與主方向的夾角小于10°,則仍可采用公式(A.1)的方法進行測量和計算。若不滿足上述條件，要求解主應力或任意方向的應力值，就需要通過三向應變花分別得到應變增量,敏感柵1或敏感柵3與主應力方向的夾角為α,則敏感柵2為(45?-|α|),由公式(A.2)計算εel、εg、ε和α:獲得的彈性應變值若不需要修正，可直接代入公式(A.3)計算出主應力σu和σ:如果彈性應變εa或ε中有大于50%的屈服應變而且角度|α|<10°,則在計算殘余應力前要對彈性應變進行修正，修正方法同A.1。若需直接求解沿敏感柵1和敏感柵3方向的殘余應力，見圖3,則可利用公式(A.4)直接進行計算：A.3應力計算示例對于已知主應力方向的應力計算(以X和Y方向示意),若X方向彈性應變εg大于0.5ero.2,而Y方向彈性應變εe小于0.5εro?,此種情況下需要對Y向的應變增量進行修正。以某一低合金鋼P材料(0.5eo?=1380,E=210GPa,v=0.28)為例，說明應力計算時如何進行修P材料的壓痕應變法應變函數見公式(A.5)和公式(A.6),其中Y?曲線和Y?曲線及相關參量示意可見圖6和圖A.1中的曲線1和曲線2:下面選取兩組應變增量數據(△ex,△ey)進行說明應力計算時如何進行修正，其中A組(-375,—240),B組(一726,一49),計算數據見表A.1。表A.1A組和B組的應力計算數據組A組B組應變增量△e-375-240-726-49依Y?曲線計算ε-1034否否是否數據組A組B組△e—△ep-240修正后的應變增量△e-726-240依Y?曲線計算ε。計算應力σ/MPaGB/T24179—2023(資料性)與母材強度不匹配的焊縫應力計算方法在保證各種試驗技術要求的情況下，測定焊接殘余應力時可能帶來的誤差往往由焊縫和母材的力學性能差異所造成。例如在測定焊縫中的殘余應力時，由于標定所用材料一般均是同質母材，但所測焊縫處的材料往往與母材有所區別(主要是塑性延伸強度上的差別)。例如現場采用CO?氣體保護焊來焊接Q235鋼，若采用ER49-1焊絲，則得到的熔敷金屬塑性延伸強度和Q235母材的塑性延伸強度差別可達到100MPa左右，這樣對焊縫的應力計算結果(oR)會產生很大影響。為解決這一問題，可借用與焊縫塑性延伸強度相等或接近材料(強度誤差不大于5%或30MPa)的標定關系進行計算，也可直接采用原母材的標定關系，再利用母材和焊縫塑性延伸強度(分別為2和R?)之比參照公式(B.1)進行修正(修正前應力為σR):式中：…………(B.1)η——與材料性質有關的修正系數，當所測位置的焊縫金屬受母材稀釋作用較小時可取1,否則取需要指出，公式(B.1)及其系數η并不是唯一確定的，它與采用的壓痕系統和材料有關，用戶應根據實際標定曲線的規律進行修正，必要時還需參照有限元計算結果。GB/T24179—2023(資料性)應變函數的數值標定方法目前，應變函數的確定都是采用試驗標定的方法獲得，試驗標定所用試板的應力狀態和試板尺寸都有較高的要求，有時可能出現無法提供符合條件的標定試板，標定試驗無法完成。雖然采用有限元數值模擬技術，可以實現應變函數的非試驗確定，但要掌握有限元模擬技術并能獲得準確結果，對于普通技術人員難度較大。對于合金鋼類的材料，研究表明，只要獲得待標定材料的力學性能，并能從尺寸較小的無應力材料上得到零應力下的應變增量值，就可以獲得應變增量與彈性應變之間的函數關系，雖然這種函數關系與公式(1)形式不同，但可以完全轉換成與公式(1)類似的形式。具體實施步驟如下：a)獲得待測材料的無應力小塊試樣，尺寸滿足