小孔法測量CrNi奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的適用性研究

1、小孔法測量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的適用 性研究李榮鋒祝時昌陳亮山摘 要 應(yīng)變釋放系數(shù)A、B的標(biāo)定實驗發(fā)覺,直到單軸拉伸應(yīng)力達到 門時，孔 邊屈服產(chǎn)生的塑性變形才發(fā)生，對Cr-Ni奧氏體不銹鋼小孔法測量殘余應(yīng)力的阻 礙小。同時通過小孔法和全釋放法測量實際焊接殘余應(yīng)力及其散布的對照發(fā)覺，只要選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)變片，使之與小孔孔徑匹配，小孔法測量高殘余應(yīng)力，專門是焊 接殘余應(yīng)力仍有較好的適用性。SUS32壞銹鋼的對接接頭的縱向焊接殘余應(yīng)力 最大值為540MPa大大超過母材屈服強度。關(guān)鍵詞適用性小孔法焊接殘余應(yīng)力Cr-Ni奧氏體不銹鋼STUDY ON FEASIBILITY OF HOLE DR

2、ILLING METHODFOR MEASUREMENT OF WELDING RESIDUAL STRESSIN Cr-Ni AUSTENIC STAINLESS STEELLi RongfongWuHan Iron and Steel Corp.Zhu Shichang Chen LiangshanInstitute of Metal Research Academia SinicaSynopsis It is found out from calibration tests of strain relief constant A & B that plastic deformat

3、ion caused by the yield around the drilling hole has little influence on the measurement of the welding residual stresses in Cr-Ni austenic strainless steel by the hole drilling method since it does not occur till the drawing stress at the single axis approaches o- the meanwhile results from a compa

4、rision of the measured value of the actual residual stress in Cr-Ni austenic strainless steel and its distribution by the hole drilling method with that by the section method indicate that the hole drilling method has better feasibility for measurement of high residual stress,and the high welding re

5、sidual stress in particular provided the rosette of strain gauge is appropriately matched with the hole peak of longitndinal residual stress in the butt weld joint of SUS 321 stainless steel is 540 MPa,which is far beyond the yield strength of the base metal.welding residual stressKeywords feasibili

6、ty hole drilling method Cr-Ni austenic steel1 前言德國人Mather于1934年最先提出了小孔法測量殘余應(yīng)力技術(shù) 口。爾后，專 門是50年代以后，許多國家的研究者對此方式進行了大量的研究，其間的成績包 括；殘余應(yīng)力應(yīng)變釋放常數(shù)實驗的標(biāo)定；理論公式及誤差討論；應(yīng)變片（花）及鉆孔 設(shè)備的生產(chǎn)與改良等。美國ASTM/L械實驗委員會于1981年正式公布了 E837-81 標(biāo)準(zhǔn)小孔法測量殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)實驗方式，1985年、1989年、1992年又3次 作了修正與補充。小孔法根據(jù)成孔的方法不同分為 4類;低速鉆（轉(zhuǎn)速小于1000 r/min,刃具包 括鉆頭和端銃

7、刀等）、高速鉆（轉(zhuǎn)速高達400000 r/min）、噴砂打孔、電化學(xué)成孔 等。其中最廉價、使用最方便的是低速鉆小孔法 ，它在工程上被廣泛采用。但低 速鉆在用于不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測定時，仍有許多問題有待解決。文獻2根據(jù)Cr-Ni奧氏體不銹鋼的特點，解決了電阻應(yīng)變片（花）粘貼前的 表面準(zhǔn)備、應(yīng)變片（花）與鉆孔直徑選擇等許多影響Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余 應(yīng)力的小孔法測量的技術(shù)問題，為其適用性提供了前提保證。但從理論上講，無論 是普通碳素鋼還是不銹鋼，采用小孔法測量高殘余應(yīng)力如焊接殘余應(yīng)力還存在一 個適用范圍問題，即測量高殘余應(yīng)力時應(yīng)力集中造成孔邊屈服而產(chǎn)生的塑性變形 對殘余應(yīng)力測量誤差的

8、影響究竟有多大 ？太大,測量結(jié)果就沒有實際意義。根據(jù)文獻2中測量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力而選擇的應(yīng)變片 （花） 與鉆孔直徑配合，計算了在雙軸等應(yīng)力條件下孔邊塑性變形造成的最大誤差為。但實際殘余應(yīng)力狀態(tài)并非如此，而是呈非等值的多軸應(yīng)力狀態(tài)。本文通太高 應(yīng)力標(biāo)定實驗及小孔法與全釋放法實測殘余應(yīng)力來研究小孔法測量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力，即實際高殘余應(yīng)力測量的適用性。2實驗研究與討論標(biāo)定實驗及討論以14mni> SUS321Cr-Ni奧氏體不銹鋼為材料，在ZDM30施壓全能實驗機上 做單軸拉伸實驗，選用文獻2提供的兩向應(yīng)變花與孔徑配合，測量小盲孔鉆削 前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。別

9、離計算相同載荷下二者的縱向、橫向應(yīng)變差 '之八 '之、 用下式計算應(yīng)變釋放標(biāo)定系數(shù) A、B。標(biāo)定試板尺寸如圖1所示。圖1標(biāo)定試板尺寸注：(1)板厚11mm (2)圖中尺寸為 mm式中 (T一單軸拉伸應(yīng)力圖2是不銹鋼鉆孔前后單軸拉伸標(biāo)定測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 從中可以看出在 高應(yīng)力區(qū)，A e xd、A £ yd偏離線性程度沒有文獻4給出的那么大,而且比低碳 鋼的偏離線性程度還要小。(7直到200MPa«- e仍維持專門好的線性關(guān)系。經(jīng) 擬合計算，在0200MPa(3(T s,即母材屈服強度)的單軸拉伸應(yīng)力范圍內(nèi),BE120-3BA型應(yīng)變花+eX盲孔配合的低速鉆小

10、孔法測量不銹鋼殘余應(yīng)力的標(biāo) 定常數(shù)A、B別離為、/MPa.如此采納標(biāo)定常數(shù)的殘余應(yīng)力的計算公式就為%-MPaJ% =： - 1.6(Aj + 0.19巳)MPa*F圖2不銹鋼鉆孔前后單軸拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線焊接殘余應(yīng)力測量及討論采納14X30OX 400(單位mm)SUS32不銹鋼手工氮弧焊對接試板，焊接線能 量17kJ/cm,焊條為A132。依照文獻2的技術(shù)要點進行整個焊接殘余應(yīng)力的小 孔法測量，同時還采納全釋放法測量殘余應(yīng)力以資比較。圖3(a、b)是小孔法和全釋放法測得的SUS32體銹鋼對接接頭縱向、橫向 焊接殘余應(yīng)力的大小及分布。500翼BM由心注瞬/rai廣小孔流翻樨的O. 3小?；床驀?/p>

11、的為 3-學(xué)科軟第碑的6 T個外電*|得的G* 1 jo .A / r 7I-小FUHH!i的 g 冷小“法刪黑的立 1全H獨圳野的5 4-金得做淵梅的明能靜目中心能落，n )圖3不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的散布圖3(a)的小孔法測試的殘余應(yīng)力是按標(biāo)定實驗取得的應(yīng)變釋放系數(shù)A B來計算表示的，而圖3(b)中小孔法測試的殘余應(yīng)力是按陳惠南公式計算表示的。從上可以看出采用標(biāo)定試驗得到的釋放系數(shù) A、B來計算的焊接殘余應(yīng)力更 符合全釋放法測試的結(jié)果。因此采用試驗標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù) A、B比計算求得的 A、B更準(zhǔn)確一些。從圖3可以看出：橫向焊接殘余應(yīng)力比縱向焊接殘余應(yīng)力小，也就是說自由 對接試板由于橫向拘束小，

12、縱向殘余應(yīng)力起主導(dǎo)作用。文獻6中焊接試板應(yīng)力 腐蝕裂紋大都垂直于焊縫開裂也證實了這一點。無論是小孔法還是全釋放法，焊縫上測量的縱向殘余應(yīng)力均為（350+50）MPa, 都比母材屈服強度高。小孔法的測量結(jié)果表明接頭熔合線處存在最大縱向殘余應(yīng) 力，峰值達540MPa焊縫及其附近的殘余應(yīng)力之所以比母材屈服強度高，主要是因為：（1）奧氏體鋼有較高的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)熔點；（2）焊縫為雙相組織，有較高的屈服強度（實測平均值為460MPa）;（3）奧氏體鋼應(yīng)變硬化指數(shù)高，且為單相組織，不發(fā)生相變。小孔法實測不銹鋼焊接殘余應(yīng)力與全釋放法測得的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)基本 吻合。從圖3b看出，只是在距焊縫中心10mm勺

13、熔合線處和縱向殘余壓應(yīng)力的偏 差較大。這主要是因為全釋放法測得的是較大切割單元（本試驗為18X18）上的殘余應(yīng)力平均值，而小孔法測得的是鉆孔位置表面近區(qū)較小范圍 （3 X應(yīng)變片尺寸） 內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值。如果殘余應(yīng)力均勻分布，那兩者的結(jié)果將會是一致的。殘 余應(yīng)力分布不均勻時，兩種方法測試的結(jié)果就存在差異，不均勻程度愈大，差異也 愈大。而熔合線處剛好就位于應(yīng)力分布最不均勻的陡峭處，此外殘余應(yīng)力的分布 在厚度方向也存在一定的梯度，因此二者產(chǎn)生一定的差別就不難理解了。雖然焊縫及其附近的焊接殘余應(yīng)力均超過了母材的屈服強度，但與全釋放法 測定的結(jié)果基本吻合。這說明不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力并不象有些文獻認為的

14、那樣 不可能超過母材的屈服強度，超過了，都要以母材的屈服強度為標(biāo)準(zhǔn)進行修正。 本 文的試驗結(jié)果表明，擴大小孔法在高殘余應(yīng)力區(qū)的測量，對不銹鋼來說也是有效 的。此外進行殘余應(yīng)力測量繁瑣的塑性區(qū)修正從工程使用意義上講，并不是必要的。3結(jié)論（1）低速鉆小孔法適合不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的測量。從應(yīng)變釋放系數(shù)的標(biāo)定 實驗來看，孔邊屈服直到單軸拉伸應(yīng)力達到（7 s時才發(fā)生，低速鉆小孔法在高殘余 應(yīng)力區(qū)測定的適用性比低碳鋼還要好。(2)BE1203BA型應(yīng)變花與甲X尺寸的小盲孔配適合合18-8型不銹鋼殘余應(yīng)力的測定，建議生產(chǎn)與BE120-3BAffl應(yīng)變花相同幾何尺寸的三向應(yīng)變花，以知 足測試不銹鋼殘余應(yīng)力主應(yīng)力和主應(yīng)力方向的需要。(3)盡管采用試驗標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù) A、B得到的殘余應(yīng)力