GB/T 31310-2014 金属材料 残余应力测定 钻孔应变法 GB/T31310-2014 标准压缩包解压密码：www.bzxz.net

ICS 77.040.10
中华人民共和国国家标准
GB/T31310—2014
金属材料
残余应力测定
钻孔应变法
Metallic material-Determination of residual stress-Hole drilling strain-gauge method2014-12-05发布
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
2015-09-01实施
规范性引用文件
术语和定义
符号和说明
试验概述
6T件准备
应变花和测量仪器
试验程序
残余应力计算
10试验报告
11精度和偏差
附录A（规范性附最）低钻孔标定试验及计算公式附录B（资料性录）铠孔法的不确定度分析附录C（资料性附录）X射线衍射法和钻孔法测量残余应力的结果比对参考文献
GB/T31310—2014
本标推按照GB/T1.1-2009给出的规则起草，本标准由中国钢铁T业协会提出：本标准册全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183)归口：GB/T31310—2014
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、上海出人境检验检疫局、武汉理工大学。
本标滩主要起草人：李荣锋、陈怀宁、吴益文、涂应宏、余立、朱利洪、邱保文、刘冬、薛欢、杨小敏汪选国、侯海量。
GB/T 31310—2014
残余应力几乎存在于所有材料中，在「件的制造过程或服役期间都有可能产生残余应力。尤其对那些在交变载荷或魔蚀环境中服役的工件而言，如果在设计过程中没有考虑或核算残余应力，它将是导致材料失效的重要因素之一：残余应力也川能是有益的，例如喷丸所产生的压缩应力。钻孔应变法（下简称钻孔法是一种测定残余随力的方法，钻孔法用于测定向同性线弹性材料近表间的残余应力，其步骤包括：在被测物体表面贴应变花，随后在该应变花上钻孔，再测量被测物体表面所释放的应变。将所测得的应变代人一系列公式使心计算出已去除材料所在部位的残余应力。钻孔法对被测工件所造成的破坏仅局限于一个较小的区域，对于较厚的材料而言，通常不会对其正常使用造成严重影响，所以称其为“平无损”测试，相对而言，其他大多数机械性残余应力测试方法都会对被测工件造成严重破坏。山于钻孔法多少会对工件造成一的破坏，所以该方法仅对在件上钻孔（或钻孔后经煤补修磨)并不严重影响其使用功能的情况下使用。有两种不同的方法可以测定残余应力：a高速钻余应力测量方法，即方法A。因高速钻的加工应变很小，残余成力的测量可以完全依据柯西公式的有限元分析得到的应力标定常数进行计算。
b）低速钻残余应力测最方法，即方法B。因低速钻的加工应变比较人，不能忽略，残余应力的测量要通过综合性的标定试验得到的应力标是常数来计算。
理论上，如果各问同性（等轴)残余成力过材料屈服强度的50%，或任一方向王的切应力超过扇服强度的25%，钻孔周边可能因应力集中而发生局部屈服，但实践中有川靠的数据表明，残余应力不超过材料扇服强度的60%时本标摊仍可采用(此限制仪针对采用非试验标定的应力标定常数确定方法，如方法A中的确定方法。如果测量的残余应力高达材料屈服点，如焊缝应力，此时需要一套特殊的战验标定技术，如方法B中的标定方法)-2]。１范围
金属材料残余应力测定
钻孔应变法
GB/T 31310—2014
本标准规定广采用钻孔法测定金属材料各向同性线弹性材料近表面残余应力的试验概述、测量设备、测量步、应力计算常数的标定、测量误差的修正等。钻孔法适用丁测量金属材料面内应力梯度较小的应力状态，这种状态下的残余应力可能沿深度方向无变化，近似为常数（均匀应力），也可能沿深度方向有明显变化（非均勺应力）。由于采用钻孔方式仅能测定材料近表面的平面残余应力，因此钻孔法仪能测定所钻孔洞边界内局部残余应力的大小。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。凡是注日期的引后文件，仪注『期的版本适用于本义件。凡是不注日期的引用文件、其最新版本（包括所有的修改单)适岸乎本文件。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
应力标定常数calibration constanlforstresses联系残余应力和释放应变的比例系数。在钻孔应变法中，与电避应变计几何尺寸、粘贴位置、孔的形状和大小有关。
释放应变relieved strain
对其有成力场的结构件钻孔.其钻孔前后应变的变化量。3.3
薄工件thinworkpicee
厚度比钻孔直径或应变花1圆直径小的工件，3.4
厚工件thick workpiece
厚度比钻孔直径大很多的工件。3.5
中等厚度工件 intermediate thickness workpiece介于厚T.件和薄T件之间的丁件
高速钻孔high-speed hole-drilling成孔转速在每分钟数方转以上，切削量很小的加工方式。3.7
低速钻孔low-speed haole-drilling成扎转速为每分钟数干转，无其指手电钻的加下方式1Www.bzxZ.net
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4符号和说明
本标推所用的符号和说明见表1.符号
表 1符号和说明
应力标定带数
各向同性应力标定常数
各向同性应力标定常数矩阵
应力标定带数
切应力标是常数
切应力标定常数矩阵
应力计算常数
由应变花上圣环状分布应变敏感栅的几何中心连接的之直径，见表3钻孔径
弹性模量
出进式钻孔的次数
步迹试孔的序少
各向同性等轴应力
钻进到第表步时的等轴应力
各向同性等轴应变
钻进到第步后的等轴应变
45°均切应力
钻进到第步时的45\切应力
45\均句切应变
钻进到第步后的45\切应变
-与切力
钻进到第灵步时的切应力
切应变
钻进到第步后的切应变
应力 P 正则化因子
应力Q正则化因子
应力T正则化因子
从主轴(1书嫩感栅)顺时针转至最人主应力方向的角度均勾应力情形下的释效应变
钻进到第，步后测得的释散应变应变计与 轴的夹角
5试验概述
5.1工件
表1（续）
消松比
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最大主应力（诞常为拉应力)
最小主应力(通常压应力)
王方间的应力
钻进到第更步时的无方向的应力y方向的应力
钻到第是步时的3方向的应力
注方向的切应力
进到第步时的方向的切应力
5.1.1 1件上的测点应选择在一个平坦的表面,同时应注意避示工偿运缘或其他不规则物体。图1 显示钻孔后测点部位的应刃分布情况。假设这些应力在工义乎内是均句分布的注：实际上在这么大的区域内残会应为的分布可能并不均勺，诺托层多益释故的应变仅纹与扎边界内的应力有关，即便该应变是在孔边界外测得的，但该区域的应力并不会為应变测量值造成影响。齿此，小孔法测定的点孔边界内的局部残余应力。
图1钻孔尺寸与残余应力
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5.1.2如图1a>所示，工件内的残余应刀沿孔深向人小是·-致的，在-平面内的应力有，,和{。可采用这种为式测量工件内的均句残余应力，对于厚工件内的均勾残余应力也可采用该方式，
5.1.3如图1b>所示，T件内的残余应力沿孔深向「人小是变化的。本方法将其描述为阶梯状应力分布，在钻孔过程中每一个深腹增量对应个深度梯度。在第表个深度梯度内的半而应力有（，）、（，）和（）。川采用这种方式测量厚工件内的非均匀残余应方。5.2应变花
如图2所示，一个应变花通常由两个或两个以上应变单元（敏感栅）组成，可将其粘贴在工件的特定位置。
应变花的布局
注：报关符号凭表2。
敏感栅尺寸
典型三向应变花的布局与几何尺寸表2应变花尺寸
应变花类型
公称值1/32in.
公称值 1/% in.
公称1/8in
公称值1/16in.
公称值1/16in.
，哲号中数值单位为英寸。
详见图2.
30°扇形
常位为毫米
5.3钻孔
5.3.1在应变花「分多步或一步进行钻孔，GB/T 31310—2014
5.3.2钻孔后，原先存在于所钻孔洞边界内的残余应力会得到部分释放，可采用合适的应变仪来测量钻到某一个指定孔深后所对应的释放应变。5.4残余应力计算方法
5.4.1一般要求
5.4.1.1采集钻孔后的释放应变并利用基丁线弹性理论.7的数学关系式而计算出原先在孔洞位置上的残余应力，释放应变的大小取决于孔内材料原始的残余应力，5.4.1.2均匀应力情况如图1a)所示，钻孔后测得的衣而释放应变按式（1)计算：xbx%o
5.4.2方法A
+xbxraysin20
cos28 +
.......(1)
标定常数a和5表示在孔深范围内出单位应力所带来的释放应变，它们是无量纲的，其大小与5.4.2.1
材料无关。对于在较薄1件上的通孔以及较厚工件上的孔这两种不同情况，具体数值会略有差异。标准型应变花的具体标定常数已采用有限元方法计弃5.蔡德.齐套表3中列出。表 3 均勾应力评估用标定常数 a 和 bA型应变花
盲孔深度/D
B型应变花
首孔深度/D
无征，De/D
孔径,D./D
孔径，De/D
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B型应变花
自孔深度/D
C型应变花
首孔深度/D
孔径,D./D
孔轻,D,/D
表3（续）
孔径，D/D
孔，。/n
5.4.2.2对于如图1b)所示的非均勾应力情况，在完成第；步钻孔后所测得的表面释放应变实际上与之前1≤所有孔深状说下材料内（未得到完全释放）的残余应力相关，可接式（2)计算：si
(o, +e,)
5.4,2.3标定常数矩阵α和b表示当钻进到第步孔深时，由丁受到第步孔深处的单位应力影响所引起的释放应变。图3列举了采用4步钻孔法时孔截面的一系列变化情况。在该系列中，当钻到第3步孔深时会受到第2步孔深处的单位应力的影响.面标定常数矩阵所表征的就是这种过渡状态。标应变花的标定常数已采用有限元方法=汀计算获得，并在本标准9.1.2.2功的列表中列出。6
图3标定常数矩阵的物理说明
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5.4.2.4测量在一系列孔深阶段上的释放应变以提供是够的信息来计算每个阶段中的应力、，和Tzy。再根据这些应力来计算主应力ma和。以及方位角。5.4.3方法B
5.4.3.1标定常数与材料和钻孔刃具有关，标定常数需按附录A于的试验标定方法确定。5.4.3.2由于采用低述钻，无法控制步避孔深，一般均按均勾应力场处理，一次钻到最终深度。5.4.4孔深的影响
释放应变的人小主要受近表面残余应力的影响，随着距表而深度的增大内部应力的影响会逐渐消失。因此.方法13仅适用于近表面残余应力的评估，对较深部位的内应力无法给出可靠的测试结果（见8.4.4的注）。
6工件准备
6.1对丁薄T.件~般应钻通孔。如果使用A型或B型应变花，工.件厚度不应超过0.4D；如果使用C型应变花T件停度不应超过0.48D(见图1)R
）A型应变花
b）B型应变花
图4应变花型式
c）C型应变花
6.2对于厚工件，一股应钻百孔。如果使用A型或B型应变花，工件厚度不应小于1.2D；如果使用C型应变花，工件厚度不应小于1.44D（见图4）。7
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6.3需要粘贴应变计的表面必须光游平整。粘贴应变计前.\件表面应符合（粘贴应变计)胶粘剂说明书的要求，通常应1净无油脂。一般应尽量采用那些对表面残余应力影响较小的抛光方式，这一点对于在表面附近存在着较大应力梯度的工件尤为重要。应变花和测盘仪器
7.1应变花的几何形状
7.1.1一个应变花由三个单独或成对的应变敏感栅组成，敏感栅的编号遵循颁时针规则。注：图2所示的敏感栅与通用应变花及其他类型应变化常用的逆时针缩号规则不同，即便对那些采用逆时针编号规则的应变花，本标准所规定的残余应力计算方式仍然适用。唯一的变化是1≠敏感册3≠敏感椰位互换，最大拉应力的方向角β需相应的颠过来，按再新定义的1半敏感极逆时针旋转3角即为左应力方间。7.1.2各应变敏感栅呈环状分布，并与应变花的测点中心保持等距。7.1.3如图2所示，应变敏感栅的纵轴可沿以下三个方向定位：a）基推方向；
b）与基准方向成45°或135°夹角；c）与基推向垂直，
方间(2)将方间(1)与方向(3)二等分。7.1.4沿1#敏感栅的方向定义为轴方向，将其逆时针旋转90°的方间确定为轴方向，7.1.5应变花的测点中心圆及其心应清晰可辨。7.2标准应变花
7.2.1口前有多种型号的标雅应变花可满足不同领域的测试需求。使用标准应变花可以大大简化残余应力的计算，图1给出了三种不同型号的应变花，表2列出了它们的几何参数。7.2.2常规情况下残余成力测试裤荐使用图 4 中的 A型应变花。注：选择合适的应变花尺寸非常重要，大应变花所以测量较深范围内的残余应力；小应变花测得局部数据更加精确。
7.2.3图4中的B型应变花中的敏感栅都分布在同-侧，适用于测点附近有障碍物的情况，7.2.4图4中的C望应变花是较为特殊的一-种样式，它由三组成对分布的敏感栅组成，可连接成三个非桥电路：它主要适用于对敏感性和温度稳定性要求较高的场合-汀。7.3应变花的粘贴和使用
7.3.1在T.件表面粘贴应变花时，其中心应至少距离.T件最近的边缘1.5D；如果工件由多种材料组成，H中心应率少距离材料分界线1.5D7.3,2采用B型应变花在障碍物附近进行测量时,应变花中心应至少距离障碍物0.5D，且敏感栅应布置在与障碍物相对的一诞。
7.3.3应变花的使用（粘贴，焊引线，防护处理）应严格遵守应变计供应商的使用规定，同时在钻孔过程中应注意保护好应变计。
7.3.4应确保贴片稳定、可靠，接地电阻推荐在20000M以.1:7.3.5应检查应变花是否粘贴良好。如有可能，可以施痴-个较小的载荷到丁作上以产生一些小应变，当卸除该载荷后，观测到的应变值应归零，另外，应存细检含那些不易粘牢的部位，如果发现有粘贴不牢的情况，应将应变花去除并重新粘贴。7.4测量仪器
7.4.1成变记录仪的分辨率应优于士（1×10-\）,短时稳性和重复性至少为士（1×10-）。连接应变8
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