ICS77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 GB/T31218—2014 金属材料 残余应力测定 全释放应变法 Metallicmaterials—Determinationofresidualstress— Sectioningrelaxationstrain-gagemethod 2014-09-30发布 2015-05-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布目 次 前 言 Ⅲ ……………………………………………………………………………………………………… 1 范围 1 ……………………………………………………………………………………………………… 2 规范性引用文件 1 ………………………………………………………………………………………… 3 术语和定义 1 ……………………………………………………………………………………………… 4 符号和说明 1 ……………………………………………………………………………………………… 5 原理 2 ……………………………………………………………………………………………………… 6 设备和应变计 2 …………………………………………………………………………………………… 7 测量步骤 3 ………………………………………………………………………………………………… 8 误差分析 5 ………………………………………………………………………………………………… 9 测量报告 6 ………………………………………………………………………………………………… 附录A(资料性附录) 电阻应变计测量应变方法 7 ……………………………………………………… 附录B(资料性附录) 电阻应变计测量(焊缝)三向残余应力的方法———R-N切割法及其修正程序 9…… 参考文献 13 …………………………………………………………………………………………………… ⅠGB/T31218—2014 前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由中国钢铁工业协会提出。 本标准由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。 本标准起草单位:武汉钢铁(集团)公司、中国科学院金属研究所、深圳万测试验设备有限公司、海军 工程大学。 本标准主要起草人:李荣锋、陈怀宁、余立、薛欢、彭文杰、刘冬、祝洪川、安建平、朱利洪、侯海量、 汪选国。 ⅢGB/T31218—2014 金属材料 残余应力测定 全释放应变法 1 范围 本标准规定了采用全释放法测定金属材料表面残余应力的术语和定义、符号和说明、原理、测量设 备、测量步骤、试验报告。 本标准适用于各种金属材料一定体积单元内的平均宏观残余应力的测定。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是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。 GB/T13992—2010 金属粘贴式电阻应变计 JJG623 电阻应变仪 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 释放应变 relaxedstrain Δε 在试件被切割后,由于原始残余应力场的释放导致的应变变化量。 4 符号和说明 本标准使用的符号及说明见表1。 表1 符号和说明 符号 说明 单位 E 被测材料的弹性模量 MPa β最大应变与最大主应力的夹角,逆时针为正 (°) Δε释放应变 — Δε1应变计上应变栅1的释放应变 — Δε2应变计上应变栅2的释放应变 — Δε3应变计上应变栅3的释放应变 — ν 被测材料的泊松比 — σ1沿应变计1方向的残余应力 MPa 1GB/T31218—2014 表1(续) 符号 说明 单位 σ3沿应变计3方向的残余应力 MPa σx沿x方向的残余应力(主应力方向) MPa σy沿y方向的残余应力(主应力方向) MPa 5 原理 在含有残余应力的试件中(如焊接试板),由于材料的整体性经分割切块后,原切割试件中残余应力 就要发生变化(所谓的应力释放,见图1),导致试块的尺寸也要发生相应变化:拉应力区材料缩短,压应 力区材料伸长。这种缩短或伸长的变化量可以由长度敏感的测试元件获得,如电阻应变计或机械引伸 仪,测得的相对长度变化量就是应变变化,即释放应变。附录A介绍了电阻应变计测量应变方法。 释放应变与残余应力的关系始终满足虎克定律,根据一维和二维应力场(由不同类型的应变计获 得),采用7.8中相应的计算公式即可求出最终的残余应力大小。在附录B推荐了三维应力场的测量 方法。 图1 全释放应变法测量残余应力示意图 6 设备和应变计 6.1 应变记录仪 应变仪至少应满足JJG623中的1.0级要求,并应经计量部门定期检定。连接应变计和应变仪的 导线应尽量短,一般不应超过10m。 6.2 应变计 6.2.1 宜选用图2所示的单向、双向或三向应变计。图2c)中敏感栅1和敏感栅3成90°,敏感栅2与 敏感栅1成45°或135°。常用的应变计为常温箔式应变计(花),电阻值为120Ω或60Ω。 6.2.2 为了测量的方便性和准确性,所选用的应变计(花)外形基底尺寸不宜太大,长宽尺寸推荐5mm ~10mm;敏感栅的长宽尺寸为1mm~3mm。 2GB/T31218—2014 a) 单向 b) 双向 c) 三向 图2 全释放应变法测量残余应力用应变计示意图 7 测量步骤 7.1 被测构件的表面准备 7.1.1 确定测量位置 测量位置的划定原则是根据应力分布特点和应力分析要求进行,还需考虑被测构件表面附近的实 际空间状态。 7.1.2 表面处理 对于不平整的测量表面,如焊缝或氧化皮等,需事先进行适当的磨光处理。采用机械磨削有可能引 入新的应力,打磨时要用力均匀、适当、轻柔,避免磨削量过大致使温度过高而产生新的应力。经过粗磨 的或原始平整的表面,采用抛光砂布轮进行抛光处理,或直接采用100#~200#的砂布(纸),在平整的 表面作手工打磨处理,打磨时可在两个相互垂直的方向上来回进行。 7.2 应变计的选用 7.2.1 根据不同的应力场选用相应应变计:单向应力场选用单向应变计,双向应力场选用双向或三向 应变计。 7.2.2 如要测量确定方向的平面应力,可直接选用双向应变计,粘贴应变计时应使两个相互垂直的应 变栅与所求应力的方向平行;如要测量主应力大小和方向,则应选用三向应变计。 7.3 粘贴应变计 7.3.1 按应变计生产厂家的推荐要求粘贴应变计,构件表面应事先进行彻底的清洗和脱脂。 7.3.2 等待10min或更长时间,沿与应变计表面平行方向缓慢揭起塑料膜,仔细观察应变计,确保粘贴 牢固。 7.3.3 应变计自然干燥1h左右,检查应变平衡情况,如果出现读数明显不稳的情况,应查找原因并解 决,无法解决的应重新贴片。 7.3.4 如条件容许,可以将工件整体放入烘箱进行60℃~70℃保温0.1h~1h(取决于板厚)的升温 干燥,不能放入烘箱的可采取局部加热保温的办法,使包含应变计的材料经受高温烘烤,避免后期切割 加工引起应变计读数飘移。 3GB/T31218—2014 7.4 应变计防护 7.4.1 应变计经过高温烘烤后进行表面防护。 7.4.2 应变计防护前应将应变栅引出线固定好,防护用的物质可以根据切割时的环境选用石蜡、环氧 树脂、硅胶等。 7.4.3 由于需要进行切割,应变计的防护十分重要,目的是避免应变计受潮和碰撞。 7.5 应变初值的读取 应变计防护结束后,进行应变计初始平衡值的读取并记录,经过1h~12h后可再次读取初值并进 行比较。如果2次的应变输出值相差较大,如大于50με,应间隔相同的时间再次读取。如第2次和第 3次的读数差值仍然大于50με,则应重新贴片。 7.6 切割分块 7.6.1 在获得稳定的初始应变读数后,就可以采用必要的方法实行工件或试板的切割分块。 7.6.2 切割的目的是让包含应变计单元的材料与周围分离,因而切割工具可以是各种锯切设备、线切 割设备、套孔钻具等。 7.6.3 为避免切割过程中引起包含应变计的材料单元温度升高超过事先烘烤的温度,应在切割过程中 注意降温。推荐采用自然降温法,必要时也可采用辅助冷却液,冷却液最好是绝缘体。 7.6.4 切割顺序一般不作规定,但应尽量从利于切割块散热角度出发,先切易于升温的试块。如相关 标准无特殊规定,在图1中,一般先按切割线1进行切割,然后按切割线2~切割线7进行。切割线8也 可以不进行(实际上此时的应力已经释放),但要保证切割线2~切割线7应该足够深,建议超过应变计 栅端10mm以上(见图3)。 图3 切割线深度示意图 7.6.5 除非相关产品标准有特殊规定,为了使应力释放完全,理论上切割的试块越小越好。但是过小 的试块不仅增加切割难度,同时可能造成应变计升温过高甚至引入切削应变。一般情况下,采用边长为 10mm~20mm的正方形尺寸比较合适。应力梯度越大,切割块应越小,应变栅尺寸的长宽尺寸也应 尽量小。 7.6.6 切割一般只在平面内进行。如果厚度方向应力梯度较大,还需要沿厚度方向进行分解。 7.6.7 如果切割不能当天一次完成,建议记录中间数据,作为最终数据之参考。 4GB/T31218—2014 7.7 释放应变的获取 切割完毕后,待切割试块冷却到室温环境时,读取此时的应变平衡值,用该值减去切割前的初始应 变值即可得到释放应变Δε。 7.8 数据处理 全释放应变法的残余应力计算采用经典的虎克定律: 采用单向应变计用式(1)计算: σ1=-EΔε1 …