ICS 77. 040. 10 H 22 中华人民共和国国家标准 GB/T 24179--2009 金属材料 残余应力测定 压痕应变法 Metallic materials--Residual stress determination- The indentation strain-gage method 2010-04-01实施 2009-06-25 发布 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布 中国国家标准花管理委员会 GB/T 24179—2009 前 言 本标准的附录 A 为规范性附录,附录 B 为资料性附录。 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归口。 本标准起草单位：中国科学院金属研究所、武汉钢铁(集团)公司、北京航空航天大学。 本标准主要起草人：陈怀宁、李荣锋、陈静、黄春玲、李晓星。 GB/T 24179---2009 金属材料残余应力测定压痕应变法 1范围 本标准规定了采用压痕应变法定金属材料表面残余应力的术语和定义、原理、测量设备、测量步 骤、标定系数确定、试验报告等。 本标准适用于硬度不大于 50 HRC的各种金属材料表面残余应力的测定。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有 的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究 是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法 GB/T 230.2金属洛氏硬度试验第 2 部分:硬度计(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)的检验 与校准 GB/T 231.2金属布氏硬度试验第 2 部分:硬度计的检验与校准 GB/T 7314·金属材料室温压缩试验方法 JJG 623电阻应变仪检定规程 3术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。 3. 1 应变增量 strain increment Ae 在材料表面产生压痕后，由残余应力场和球形压痕共同诱导的应变变化相互叠加后产生的应变变 化(输出)量。 3.2 标定系数 coefficients of calibration A,B 在压痕应变法测量残余应力中，与被测材料、应变花形状、球形压痕大小有关，联系应变增量和弹性 应变的关系常数。 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 应变增量 Ae 沿方向的应变增量(沿主应力或平行焊缝方向) Ae, 沿方向的应变增量(沿主应力或垂直焊缝方向） GB/T 24179---2009 表1 (续) 符 号 说 明 单 位 *3 弹性应变 沿方向的弹性应变 Eer Eey 沿方向的弹性应变 沿方向的应力(沿主应力或平行焊缝方向) MPa 沿方向的应力（沿主应力或垂直焊缝方向） MPa 被测材料的泊松比 E 被测材料的弹性模量 MPa Rpo. 2 被测材料的规定塑性延伸强度 MPa 对应于 Rpo.2 的应变 Eto. 2 A 标定系数 A(直线斜率) B 标定系数 B(直线截距) 应变片1的长度方向与主应力α方向的夹角 (°) 采用母材标定系数计算得到的焊缝应力 MPa 修正后的焊缝应力 MPa R0.2 母材规定的塑性延伸强度 MPa Rpo.2 焊缝熔敷金属规定塑性延伸强度 MPa 与焊缝材料性质有关的修正系数，取值范围1～1.1 5原理 在平面应力场中，由压入球形压痕产生的材料流变会引起受力材料的松弛变形（拉应力区材料缩 短，压应力区材料伸长），与此同时，由压痕自身产生的弹塑性区及其周围的应力应变场在残余应力的作 用下也要产生相应变化。这两种变形行为的叠加所产生的应变变化量可称之为叠加应变增量（简称应 变增量）。利用球形压痕诱导产生的应变增量求解残余应力的方法就叫做压痕应变法。 压痕应变法采用电阻应变花作为测量用的敏感元件，在应变栅轴线中心点通过机械加载制造一定 尺寸的压痕（见图1），通过应变仪记录应变增量数值，利用事先对所测材料标定得到的弹性应变与应变 增量的关系得到残余应变大小，再利用胡克定律求出残余应力。 压头 应变片 图 1压痕应变法测量残余应力示意图 GB/T 24179—-2009 研究表明，一定尺寸的球形压痕在残余应力场中产生的应变增量与弹性应变之间存在确定的多项 式关系（见图 2 所示的拉伸应变区规律，与压缩应变区类似),即可将应变增量△e与弹性应变ε。的关系 用公式(1)表示为： Ae= B+ Aree + A2e +As? 1 式中: B- -零应力下的应变增量； A1~Az~A3 - -多项式常数，由标定曲线确定。 -100 Aelue 300 交变增量 望0°方向 ¥15°方向 430°方向 45°方向 400 800 1 200 1 600 残余应变 /μe 图 2 应变增量随夹角的变化关系 为了数据处理方便,也可将图 2 表示成分段线性形式，而且误差很小。此时的应变增量和弹性应变 的关系可用公式(2)简单的线性关系统一表述： e Ae. + B (2) 注：在不同水平的拉应力作用区以及压应力作用区,A、B系数可能是不相同的。 当在非主应力方向标定或测量应力时，如果此时主应力大于0.3R0.2或夹角大于10°，则常数A要 发生变化(但 B值不变),它是一个与主应力方向夹角 α有关的函数(见图 2)： A = B+Biα+Bzα? (3) 式中： 定义同式(1); B- B1、B2——多项式常数，由标定曲线确定。 6测量设备和材料 6.1应变记录仪 应变仪至少应满足 JJG 623 中的 1.0 级要求。 6.2 应变花 6.2.1应选双向或三向直角应变花(见图3)。图中应变片1和应变片3成90°,应变片2与应变片1成 45°或135。应变花电阻值为120α或60Q。片基厚度应在30 μm～60μm之间。 6.2.2为测量的方便性和准确性，所选用的应变花外形尺寸不宜太大，长宽尺寸推荐 5.0 mm～ 10.0~mm;应变栅尺寸的长宽尺寸为1.0 mm～2:0mm。 3 GB/T 24179--2009 图3压痕应变法测量残余应力用双向(左)和三向(中、右)直角应变花 6.2.3应变栅端到压痕中心的距离要适当，该值与压头直径和压痕直径有关。压头直径一般在 1.0 mm～3.0 mm，对应的压痕直径在0.8 mm~～1.5 mm,应变栅到压痕中心距离在2.5 mm~～4.0 mm 较为适宜。 6.2.4为便于产生压痕,应变花上应刻有应变栅轴线的交点标记作为压痕对中打击点。 6.3压痕对中装置 为准确地在应变花的交点位置产生压痕，需要事先通过光学放大镜对中并通过相应装置确保对中 精度。建议选用放大倍数20倍～40倍、内置十字刻度线的显微镜。 6.4压痕产生装置 6.4.1 球形压头直径范围 1 mm～3 mm。所采用硬质合金球形压头应符合 GB/T 230.2 和 GB/T 231.2 中对硬质合金球的要求。 6.4.2压痕产生可以采用静力加载方式，也可以采用冲击加载方式。无论采用何种加载方式，为确保 测量过程中获得确定的压痕尺寸，应保证实测时所用力或能量与试验标定时所用的相同。 6.4.3压痕深度应控制在 0.1 mm~0.3 mm。 7 测量步骤 压痕应变法测量残余应力的过程可以分为四个步骤：被测构件的表面准备、应变片的粘贴、压痕产 生和数据处理。 7.1被测构件的表面准备 表面准备是指为了满足粘贴应变片和制造压痕的需要而进行的表面平整过程，一般情况下按以下 顺序进行： 7. 1. 1 确定测量位置 测量位置的划定原则是根据应力分析的要求和被测构件表面附近的实际空间状态来确定。 7.1.2表面粗磨 对测量表面进行平整和除锈处理，打磨时用力要均匀、适当，避免产生新的应力。 7.1.3表面抛光 对于经过粗磨的或原始含锈等不够清洁光滑的表面，采用抛光布轮进行表面抛光处理，便于粘贴应 变片并能减小由于表面粗磨可能造成的附加应力影响。 7.1.4手工打磨 推荐采用 100#～200#的砂布,在抛光过的表面作进一步手工打磨处理,打磨时可在两个相互垂 直的方向上来回进行。通过此步骤可以使粘贴应变片更方便牢固，也可以进一步减小可能由机械打磨 引人的附加应力。”： 7.2粘贴应变片 GB/T 24179-2009 量薄。 7.2.2待应变片粘贴后10 min或更长时间,在压痕周向点附近用刀片划断应变片（见图 4）。仔细观 察应变片，确保粘贴牢固，并且表层无多余胶层。 mm~2 mm 图 4应变片切割线 7.3压痕的产生 粘贴应变片1h～4h后(取决于测量表面温度），将应变片上的压痕中心点与显微镜中心点调节至 重合。压痕产生后的对中偏差要求不大于±0.05 mm。调节时可采用与图 5类似的三爪固定装置。 图 5显微镜和压头用导向装置 7.4数据处理 7.4.1记录压痕产生前后的应变差值(应变增量）。 7.4.2根据公式(1)或公式(2)或图 6 得到相应的残余应变。 7.4.3按平面胡克定律计算残余应力，计算方法及其误差修正见附录 A和附录 B。 8标定系数确定 应力测量前，需要根据被测材料试验确定公式(1)或公式(2)中的A、B标定系数。 8.1标定试板 8.1.1标定用试板必须采用与待测结构相同的材料制作，同时标定试板必须是先经过加工、然后再进 行消除内应力的试板。采用退火热处理方法消除内应力时，应避免材料性能的变化。 8.1.2推荐采用的标定试板尺寸为：长 200 mm～500 mm（短长度用于压缩标定），宽 50 m