CSTM-金屬材料 殘余應(yīng)力測試 壓入能量差法編制說明

T/CSTMXXXXX-201X《承壓設(shè)備焊接接頭殘余應(yīng)力的壓入能量差測試方法》編制說明目錄（編寫框架）TOC\o"1-3"\h\u1. 目的、意義及任務(wù) 22. 國內(nèi)外現(xiàn)行材料標(biāo)準(zhǔn)及CSTM要求的比較與制修訂 23. 壓入能量差法基本原理 34. 標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容 44.1標(biāo)準(zhǔn)編制原則 44.2主要內(nèi)容 45. 試驗和應(yīng)用情況 76. 結(jié)束語 8

目的、意義及任務(wù)承壓設(shè)備在焊接過程中，不可避免產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力尤其是拉伸殘余應(yīng)力會顯著降低材料抵抗應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞失效的能力，是結(jié)構(gòu)完整性評估的關(guān)鍵考察要素之一。目前已有多種測試殘余應(yīng)力的方法和標(biāo)準(zhǔn)，包括鉆孔法、壓痕應(yīng)變法、X射線衍射法等。但是這些測試方法存在對測試對象有損傷、操作復(fù)雜、測試成本高或不適于復(fù)雜的現(xiàn)場測試等缺點，導(dǎo)致工程推廣難度較大。本標(biāo)準(zhǔn)提出的壓入能量差法測試殘余應(yīng)力對測試對象無破壞，操作簡單，測試成本低，測試儀器便攜靈活，工程現(xiàn)場適用性強。目前，國內(nèi)外殘余應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了破壞性檢測和無損檢測兩大類數(shù)十種測試方法。以鉆孔法為代表的破壞性檢測方法通常不允許應(yīng)用于服役設(shè)備；以X射線衍射法為代表的無損檢測方法測試儀器復(fù)雜，難以在工程現(xiàn)場使用，且測試成本較高。壓痕類測試方法是目前唯一幾乎無損且適用于現(xiàn)場測試殘余應(yīng)力的技術(shù)。目前國內(nèi)外主流的壓痕類測試方法有壓痕應(yīng)變法和儀器化壓痕技術(shù)。壓痕應(yīng)變法需要粘貼應(yīng)變片作為敏感原件，需要事先打磨試樣，粘貼應(yīng)變片，等待數(shù)小時固化，切割應(yīng)變片，錫焊引線等精細操作。實際操作中很難在工程現(xiàn)場實現(xiàn)高效便捷測試，即使是專業(yè)測試人員的測試效率也不高。而儀器化壓痕測試技術(shù)僅能測試平均應(yīng)力值（），計算二向應(yīng)力所需的關(guān)鍵參數(shù)—應(yīng)力比k（）的獲取較為困難。然而對于承壓設(shè)備安全評價來說，環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力對設(shè)備安全性的影響是不同的，需要分開討論，因此僅獲得平均殘余應(yīng)力值對設(shè)備安全評價缺乏指導(dǎo)意義。此外，公式中的壓痕真實接觸面積Ac的獲得也是個棘手的問題，對接觸面積的定義很難通過試驗獲得確切的大小。本文件提出的壓入能量差法測試焊接殘余應(yīng)力具有不依賴應(yīng)變片、光學(xué)測量等附加手段，且可獲得二向應(yīng)力的優(yōu)點，彌補了上述兩種測試方法的不足。在中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會特種設(shè)備領(lǐng)域委員會領(lǐng)導(dǎo)下，為提高我國殘余應(yīng)力測試技術(shù)，使高端承壓設(shè)備檢測評估不受制于人，編寫、制訂CSTM《承壓設(shè)備焊接接頭殘余應(yīng)力的壓入能量差測試方法》標(biāo)準(zhǔn)以促進我國重大承壓裝備的高可靠制造及長壽命服役。國內(nèi)外現(xiàn)行材料標(biāo)準(zhǔn)及CSTM要求的比較與制修訂GB/T24179《金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法》規(guī)定的壓痕應(yīng)變法需要人工粘貼應(yīng)變片，限制了其應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用門檻。中國借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR29381-2008《Metallicmaterials-Measurementofmechanicalpropertiesbyaninstrumentedindentationtest-Indentationtensileproperties》并重新起草的GB/T39635-2020《金屬材料儀器化壓入法測定壓痕拉伸性能和殘余應(yīng)力》規(guī)定的儀器化壓入法僅可獲得平均應(yīng)力，無法獲得二向主應(yīng)力，對承壓設(shè)備的安全評定缺乏指導(dǎo)意義。因此，需要編制新的標(biāo)準(zhǔn)。以國內(nèi)現(xiàn)行GB/T39635-2020《金屬材料儀器化壓入法測定壓痕拉伸性能和殘余應(yīng)力》標(biāo)準(zhǔn)為部分基礎(chǔ)，參考GB/T21838.2《金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓痕試驗第2部分：試驗機的檢驗和校準(zhǔn)》部分要求為測試儀器校核指標(biāo)，結(jié)合承壓設(shè)備殘余應(yīng)力評價需求，形成CSTM《承壓設(shè)備焊接接頭殘余應(yīng)力的壓入能量差測試方法》征求意見用草稿。壓入能量差法基本原理(a)殘余應(yīng)力作用下的壓入狀態(tài)(b)不同應(yīng)力下的壓痕曲線圖1殘余應(yīng)力影響壓痕曲線變化在硬質(zhì)壓頭壓入金屬試樣過程中，壓頭對材料做的功（簡稱壓入功）WF會轉(zhuǎn)化為材料的變形能U，即WF=U。當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力σres時，材料變形還需要克服殘余應(yīng)力做功Wres，即：（式9-28）導(dǎo)致壓入同樣深度時壓入功WF發(fā)生改變，體現(xiàn)在壓痕曲線發(fā)生變化。如圖1(a)所示，當(dāng)存在壓應(yīng)力時，應(yīng)力與變形方向相反，殘余應(yīng)力做負(fù)功，即Wres為負(fù)。那么就需要增加WF來平衡能量關(guān)系式，即壓痕曲線上移。反之，當(dāng)存在拉應(yīng)力時，應(yīng)力與變形方向相同，殘余應(yīng)力做正功，即Wres為正。那么就需要減小WF來平衡能量關(guān)系式，即壓痕曲線下移，如圖1(b)所示，與無應(yīng)力試樣相比，在壓入同樣深度時產(chǎn)生的壓入能量差ΔWF即為殘余應(yīng)力引起的壓入能量差。建立壓入能量差ΔWF與殘余應(yīng)力σres的關(guān)系即可求得殘余應(yīng)力大小。為了解決應(yīng)力方向的問題，采用對應(yīng)力方向有較強敏感性的努式壓頭(圖2(a))。由于其較大的長短軸之比，在同一應(yīng)力場中改變方向壓入會得到不同的壓痕曲線(圖2(b))。圖2努式壓頭及其對應(yīng)力方向的敏感性在二向應(yīng)力場中，若已知主應(yīng)力方向，或者可以明確區(qū)分應(yīng)力分布方向時（如回轉(zhuǎn)體的環(huán)向和軸向，焊縫的縱向和橫向等），使努氏壓頭分別沿著兩個應(yīng)力方向進行壓入試驗，可獲得兩個主應(yīng)力方向的壓入能量差ΔWF1，ΔWF2，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，即可聯(lián)立方程求出二向殘余應(yīng)力大小。標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容4.1標(biāo)準(zhǔn)編制原則（1）政策性：本文件的制定符合國家現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和政策要求。（2）原則性：本文件有利于促進我國重大承壓裝備的高可靠長壽命制造，有利于提高我國在國內(nèi)外裝備制造的競爭力。（3）前瞻性：本文件的壓入能量法是我國提出的完全自主研發(fā)的二向殘余應(yīng)力無損在線測試技術(shù)，屬于國內(nèi)首創(chuàng)。隨著我國承壓設(shè)備的大型化，殘余應(yīng)力對設(shè)備服役安全性的威脅越來越顯著。在充分調(diào)研國內(nèi)外焊接殘余應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，明確現(xiàn)有測試方法的局限性，結(jié)合目前國內(nèi)設(shè)計、制造、使用單位的需求，總結(jié)經(jīng)驗，最終形成了《承壓設(shè)備焊接接頭殘余應(yīng)力的壓入能量差測試方法》標(biāo)準(zhǔn)草案（工作組討論稿）。（4）實用性：本文件主要用于指導(dǎo)壓入法檢測焊接接頭殘余應(yīng)力實施要求。包括對測試設(shè)備的要求、測試位置的選擇和表面處理、測試標(biāo)準(zhǔn)流程以及材料標(biāo)定等，具有較強的實用性。（5）規(guī)范性：本文件制定時按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定，文字表達力求準(zhǔn)確簡明，內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)合理。（6）緊迫性：目前，承壓設(shè)備焊接接頭經(jīng)常發(fā)生開裂、泄露、應(yīng)力腐蝕。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對熱處理效果評價缺少直接的評價依據(jù)，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)認(rèn)為只要熱處理溫度曲線符合規(guī)定就可以有效的消除焊接殘余應(yīng)力。然而，這是導(dǎo)致事故頻發(fā)的主要原因：操作不規(guī)范或熱處理工藝不當(dāng)不僅無法有效消除焊接殘余應(yīng)力，甚至還會引入額外的熱應(yīng)力。為了保障我國承壓設(shè)備的安全服役，亟需提出適合我國國情和現(xiàn)場使用條件的殘余應(yīng)力測試國家標(biāo)準(zhǔn)。（7）重要性：目前國內(nèi)外缺乏方便現(xiàn)場使用的二向殘余應(yīng)力無損在線測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為了提升我國承壓設(shè)備的制造質(zhì)量，亟需編寫適合我國國情的新的殘余應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)。4.2主要內(nèi)容（1）范圍本文件規(guī)定了采用壓入能量差法測定金屬材料表面殘余應(yīng)力的術(shù)語和定義、測試原理、測試設(shè)備、試樣、測量步驟、標(biāo)定系數(shù)的確定、試驗報告等。本文件適用于承壓設(shè)備焊接殘余應(yīng)力測試、焊后熱處理應(yīng)力測試，或其他可明確應(yīng)力方向的鋼鐵材料的殘余應(yīng)力測試。（2）術(shù)語和定義術(shù)語及定義主要包括本文件提出壓入能量差方法的幾大要素努氏壓頭、壓痕曲線、有效測試區(qū)、標(biāo)定系數(shù)。（3）測試原理簡明扼要地介紹了壓入能量差法的測試原理，從能量角度直觀地解釋了壓痕曲線隨殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，闡明通過壓入能量差ΔWF與殘余應(yīng)力σres的關(guān)聯(lián)關(guān)系即可獲得殘余應(yīng)力大小。在此基礎(chǔ)上，再利用努式壓頭的非對稱性，建立與方向相關(guān)的壓入能量差關(guān)系式，即可得到不同方向的應(yīng)力分量。文件還特別指出了讀者對于無應(yīng)力試樣的顧慮，即采用本文件測得的應(yīng)力為一個相對值（相對于可忽略應(yīng)力的參考位置的應(yīng)力水平）。例如焊接接頭處的應(yīng)力相對于遠離焊縫處母材的應(yīng)力，熱處理前后相同位置的應(yīng)力變化等。（4）測試設(shè)備借鑒國內(nèi)相關(guān)試驗機校核標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合壓入能量差法的測試需求，規(guī)定了壓入能量差法測試設(shè)備的基本要求和參數(shù)指標(biāo)。本文件所要求的測試設(shè)備在滿足GB/T21838.2《金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓痕試驗第2部分：試驗機的檢驗和校準(zhǔn)》中關(guān)于設(shè)備檢驗要求的基礎(chǔ)上，最大的不同在于還需具備在一組兩次壓入試驗中，使壓頭水平旋轉(zhuǎn)90°和平移至少4mm的功能。此外，還規(guī)定了需要配備標(biāo)準(zhǔn)試樣，定期對設(shè)備進行校準(zhǔn)，若壓痕曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線較大，應(yīng)及時更換壓頭。（5）測量步驟為方便使用，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)化的操作步驟，包括確定測試區(qū)、測試區(qū)表面處理、安裝試驗設(shè)備、預(yù)加載、執(zhí)行測試、數(shù)據(jù)處理過程以及一些注意事項。確定測試區(qū)：測試區(qū)應(yīng)根據(jù)主應(yīng)力方向或者被測對象表面幾何結(jié)構(gòu)確定。由測試區(qū)內(nèi)兩次壓入試驗獲得的壓痕曲線計算該區(qū)域的二向應(yīng)力值。對于焊接接頭，應(yīng)將兩次測試點沿著焊縫方向排布，如圖所示，這是因為焊接殘余應(yīng)力沿著焊縫垂直方向梯度較大，測試區(qū)域內(nèi)難以滿足均勻分布假設(shè)，而沿焊縫方向應(yīng)力分布梯度較小，如圖3所示。圖3焊接接頭測點分布示意圖測試區(qū)域表面處理：采用先粗磨后細磨拋光的方式進行測試區(qū)表面處理，粗磨的目的是去除表面氧化層和不連續(xù)層，細磨拋光的目的是去除粗磨在表面引入的附加應(yīng)力。最終需要形成至少10mm×15mm光滑平整的區(qū)域。并用記號筆做好測點標(biāo)記，方便壓頭對準(zhǔn)與位置記錄安裝試驗設(shè)備：使用合適的夾具或固定裝置根據(jù)測試點的位置將試驗設(shè)備緊密固定在試樣表面，避免試驗過程中因松動、振動、人為干擾等因素造成的試驗設(shè)備移動影響測試結(jié)果。試驗前應(yīng)確保位移傳感器探頭比壓頭尖端先接觸測試表面，且位移傳感器量程足夠滿足最大下壓深度。預(yù)加載：由于表面粗糙度影響，直接進行加載會導(dǎo)致壓痕曲線初期跳動；為減小這一影響，應(yīng)對測試表面進行預(yù)加載直到載荷-位移數(shù)據(jù)呈穩(wěn)定增長趨勢后，再逐漸加大載荷增量。建議預(yù)加載荷F0＜10N。若在預(yù)加載區(qū)間內(nèi)無法得到穩(wěn)定曲線，則預(yù)加載失敗，需要更換測試位置或重新打磨并重復(fù)上述步驟，直至預(yù)加載成功。殘余應(yīng)力測試：預(yù)加載完成后逐漸加大試驗載荷直到達到最大壓入深度后卸載，試驗設(shè)備同步記錄載荷-深度數(shù)據(jù)完成一次壓入試驗。抬起壓頭后使壓頭水平旋轉(zhuǎn)90°并平移對準(zhǔn)到第二次壓入位置，重復(fù)上述預(yù)加載和加載步驟。最終獲得測試區(qū)內(nèi)兩組壓痕數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理：文件給出了關(guān)鍵測試步驟以及數(shù)據(jù)處理流程。圖4壓入能量差法計算流程注意事項：試驗一般在-10℃~40℃范圍內(nèi)進行，對于溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗應(yīng)在23℃±5℃進行。為減少試驗過程中因溫度引起的試驗偏差，應(yīng)保證儀器和試樣的溫度相對穩(wěn)定。同一位置不得重復(fù)壓入。當(dāng)一測試點處曲線獲取異常，應(yīng)另選測試區(qū)進行測試，兩測試區(qū)間隔不得小于10mm。應(yīng)對新測試區(qū)位置進行記錄。（6）標(biāo)定系數(shù)的確定本文件提出的壓入能量差法計算公式中存在與材料相關(guān)的標(biāo)定系數(shù)，需要通過特定試驗進行材料標(biāo)定?；舅悸肥窃诮?jīng)過去應(yīng)力熱處理的條狀試樣上人為施加若干組特定大小的單軸應(yīng)力，計算能量差公式中的應(yīng)力相關(guān)項，擬合得到標(biāo)定系數(shù)A1~3。應(yīng)力大小通過條狀試樣中心粘貼的應(yīng)變片檢測。本文件給出了標(biāo)定試樣的推薦尺寸，并介紹了標(biāo)定試驗方法步驟和標(biāo)定數(shù)據(jù)處理過程，方便讀者在缺少材料參數(shù)時自行標(biāo)定測試所需參數(shù)。（7）試驗報告殘余應(yīng)力測試報告主要包括測試對象的描述、測試參數(shù)的選取、測試環(huán)境的記錄以及測試結(jié)果的說明。試驗和應(yīng)用情況（1）與應(yīng)力產(chǎn)生裝置對比利用圖所示的十字梁試樣與雙軸應(yīng)力產(chǎn)生裝置在試樣中心測試區(qū)域人為施加雙軸應(yīng)力，與壓痕儀測試結(jié)果對照以驗證測試效果?？梢钥吹阶畲鬁y試誤差為35MPa，可以滿足工程測試需求。圖5十字梁試樣與雙軸應(yīng)力產(chǎn)生裝置：(a)十字形試樣，(b)原理圖，(c)試驗裝置圖表1外加應(yīng)力與實測應(yīng)力的比較（單位：MPa）σ1appσ2appσ1indσ2indσ1ind-σ1appσ2ind-σ2appS45C268239262257-6181442491772843335772878726710-2012Cr1MoV19215210181834517422159-23-159619178184-18-7（2）與壓痕應(yīng)變法測試對比與GB/T24179《金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法壓痕應(yīng)變法》規(guī)定的壓痕應(yīng)變法測試對比，測試過程和測試結(jié)果如下：(a)壓痕應(yīng)變法(b)壓入能量差法圖6測試過程(a)縱向應(yīng)力(b)橫向應(yīng)力圖7測試結(jié)果對比可以看到無論是壓痕應(yīng)變法還是本文件提出的壓入能量差法均能有效表征焊接接頭應(yīng)力分布規(guī)律。盡管在應(yīng)力大小上有所差別，這是由于兩種方法的測試原理、無應(yīng)力參考試樣的不同造成的，測試位置不同也會造成測試結(jié)果有所差異。結(jié)束語壓痕技術(shù)正受到世界范圍內(nèi)的的認(rèn)可和依賴，我國對壓痕檢測技術(shù)的研究起步相對較晚，檢測儀器和檢測標(biāo)準(zhǔn)均受到國外技術(shù)的影