GB/T31310-2014
金属材料残余应力测定钻孔应变法
Metallicmaterial—Determinationofresidualstress—Holedrillingstrain-gaugemethod
- 中国标准分类号（CCS）H22
- 国际标准分类号（ICS）77.040.10
- 实施日期2015-09-01
- 文件格式PDF
- 文本页数41页
- 文件大小889.07KB
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金属材料残余应力测定钻孔应变法
国家标准 GB/T31310一2014 金属材料残余应力测定钻孔应变法 Metallicmaterial一DeterminationofresidualstreSs- Holedrillingstrain-gaugemethod 2014-12-05发布 2015-09-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T31310一2014 目 次 前言 引言 范围 规范性引用文件 术语和定义 符号和说明 试验概述 工件准备 应变花和测量仪器 试验程序 残余应力计算 10试验报告 26 11精度和偏差 26 附录A规范性附录)低速钻孔标定试验及计算公式 2s 附录B(资料性附录)钻孔法的不确定度分析 32 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 35 参考文献 36
GB/T31310一2014 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
本标准由钢铁工业协会提出
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、科学院金属研究所、上海出人境检验检疫局,武汉理工 大学
本标准主要起草人李柴锋、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
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GB/I31310一2014 引 言 残余应力儿乎存在于所有材料中,在工件的制造过程或服役期间都有可能产生残余应力
尤其对 那些在交变载荷或腐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
残余应力也可能是有益的,例如喷丸所产生的压缩应力
钻孔应变法下 简称钻孔法)是一种测定残余应力的方法 钻孔法用于测定各向同性线弹性材料近表面的残余应力
其步骤包括:在被测物体表面贴上应变 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便可 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“半无损”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
由于钻孔法多少会对工件造成一定的破坏,所以该方法仅针对在工件上钻 孔或钻孔后经焊补修磨)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
高速残余应力测量方法,即方法A
因高速钻的加工应变很小,残余应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
低速钻残余应力测量方法,即方法B 因低速钻的加工应变比较大,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 标定常数来计算
理论上,如果各向同性(等轴)残余应力超过材料屈服强度的50%,或任一方向上的切应力超过屈 服强度的25%,钻孔周边可能因应力集中而发生局部屈服
但实践中有可靠的数据表明,残余应力不 超过材料屈服强度的60%时本标准仍可采用(此限制仅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 试验标定技术,如方法B中的标定方法)
GB/T31310一2014 金属材料残余应力测定钻孔应变法 范围 本标准规定了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,测量步骤,应力计算常数的标定、,测量误差的修正等
钻孔法适用于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(非均匀应力)
由于采用钻孔方式仅 能测定材料近表面的平面残余应力,因此钻孔法仅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 JG623电阻应变仪 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cealibrationconstantforstresses 联系残余应力和释放应变的比例系数
在钻孔应变法中,与电阻应变计几何尺寸、粘贴位置、孔的 形状和大小有关
3.2 释放应变relievedstrain 对具有应力场的结构件钻孔,其钻孔前后应变的变化量
3.3 薄工件thinworkpieee 厚度比钻孔直径或应变花上圆直径小的工件
3.4 厚工件thiekworkpieee 厚度比钻孔直径大很多的工件
3.5 中等厚度工件intermediatethickessworkpiece 介于厚工件和博工件之间的工件
3.6 高速钻孔high-speedholedring" 成孔转速在每分钟数万转以上,切削量很小的加工方式
edholedrillin 低速钻孔 low-speee ing 成孔转速为每分钟数千转,尤其指手电钻的加工方式
GB/T31310一2014 符号和说明 本标准所用的符号和说明见表1
表1符号和说明 符号 单位 说明 MPa- 应力标定常数 各向同性应力标定常数 a 各向同性应力标定常数矩阵 B MPa" 应力标定常数 切应力标定常数 切应力标定常数矩阵 应力计算常数 mm 由应变花上呈环状分布应变敏感的儿何中心连接的圆之直径,见表 D 钻孔直径 mm E GPa 弹性模量 步进式钻孔的次数 步进式钻孔的序号 各向同性等轴应力 钻进到第奏步时的等轴应力 各向同性等轴应变 钻进到第步后的等轴应变 MPa 45"均匀切应力 Q MP 钻进到第k步时的45°切应力 45"均匀切应变 钻进到第人步后的45"切应变 q ry均匀切应力 T MPu T MPa 钻进到第人步时的ry切应力 MP 切应变 x-y MP 钻进到第k步后的.ry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 8 从
轴I#敏感栅)顺时针转至最大主应力方向的角度 均匀应力情形下的释放应变 钻进到第步后测得的释放应变 应变计与r轴的夹角
GB/T31310一2014 表1(续 符号 单位 说明 泊松比 MPa 最大主应力通常为拉应力 MPa 最小主应力通常为压应力 MP 方向的应力 厅， MP 钻进到第人步时的
方向的应力 MP 方向的应力 MP 钻进到第尺步时的y方向的应力 o MPa ry方向的切应力 ， MPa 钻进到第步时的ry方向的切应力 T 试验概述 5.1 工件 5.1.1工件上的测点应选择在一个平坦的表面,同时应注意避开工件边缘或其他不规则物体
图1显 示了钻孔后测点部位的应力分布情况
假设这些应力在r-y平面内是均匀分布的
注:实际上在这么大的区域内残余应力的分布可能并不均匀
钻孔后表面释放的应变仅仅与孔边界内的应力有 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对应变测量值造成影响
因此,小孔法测定的是 孔边界内的局部残余应力
oy 图1钻孔尺寸与残余应力
GB/T31310一2014 怜 5.1.2如图la)所示,工件内的残余应力沿孔深方向大小是一致的
在.r-y平面内的应力有o.,d,利 可采用这种方式测量薄工件内的均匀残余应力,对于厚工件内的均匀残余应力也可采用该 Ty
方式
5.1.3如图1b)所示,工件内的残余应力沿孔深方向上大小是变化的
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度增量对应一个深度梯度
在第人个深度梯度内的平面应力有(a (a,)和(r)
可采用这种方式测量厚工件内的非均匀残余应力
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 o架的 事冒 毛 45 应变花的布局 D 敏感栅尺寸 注:相关符号见表2， 图2典型三向应变花的布局与几何尺寸 表2应变花尺寸" 单位为毫米 应变花类型 GI" GW R R A型 D 名称 0.309D 0.309D 0.3455D 0.6545D 2.57 0.79 0.79 0.89 1.68 公称值1/32in. O.l01 O.03 0.035 O.066 O.03D .5 .77 5.13 1.59 3.36 公称值1/16in 0,202 0,062 (0.062) (0.070 (0.132) 0.26 3.18 3.54 6,72 318 公称值1 /8in
O.404 0.125 0.125 O.l40 0.26 B型 0,309D 0.6545D 名称 0.233D 0.3455D 5. .77 1.59 1.14 3.36 公称值1/16in 0.202) 0.062) 0.045) 0.070) 0.132) C型 0.176D 0.412D 0.588D 名称 30"扇形 4.32 0.76 30 1.78 2.54 公称值1/16in 30° 0.l70 0.03O O0.070 O.100 括号中数值单似为英寸
详见图2
GB/T31310一2014 5.3钻孔 5.3.1在应变花上分多步或一步进行钻孔
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于线弹性理论一口的数学关系式可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la)所示,钻孔后测得的表面释放应变按式(1)计算 x万义""ws0+×万×了,,sin2n (1 5.4.2方法A 5.4.2.1标定常数和表示在孔深范围内由单位应力所带来的释放应变,它们是无量纲的,其大小与 材料无关
对于在较薄工件上的通孔以及较厚工件上的盲孔这两种不同情况,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算[获得,并在表3中列出
表3 均匀应力评估用标定常数
和b A型应变花 孔径,D/D 孔径,D/D 盲孔深度D 0.30 0.50 0.30 0.140 0.50 0.35 0.40 0.45 0.35 0.45 0,00 ,000 .000 ,000 .000 ,000 .000 ,000 .000 ,000 ,000 0.,05 ,027 .037 ,049 .063 ,080 .051 ,069 .090 .1l13 l40 0.10 ,059 081 .108 .l38 .176 .l18 .l59 .206 .255 317 0.15 ,085 .l15 .151 .192 .238 .239 .305 .375 ,453 .180 0.20 .101 ..137 .177 .223 .273 .227 .299 .377 .459 .545 0.25 .110 .147 .19o .238 .288 .259 .339 .425 .513 .603 0.30 .113 ..151 .195 .243 .293 .279 .364 .454 ,546 ,638 0.35 .113 .151 .195 .242 .292 .292 .379 .472 .566 ,657 0,40 ,11 .149 .192 ..239 .289 .297 .387 .482 ,576 ,668 通孔 ,090 .122 .l60 .203 .249 .288 .377 ..470 .562 651 B型应变花 孔径,D/D 孔径,D./D 盲孔深度/D 0.30 0.35 0,40 0.45 0.50 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.00 ,000 .000 ,000 .000 ,000 .000 ,000 .000 .000 000 0.05 .039 ,053 .068 ,086 .058 ,078 .102 .127 157 .029 0.10 .063 .087 .l16 l148 .189 .134 .179 .231 .286 355
GB/T31310一2014 表3(续 B型应变花 孔径,D/D 孔径,D/D 盲孔深度/D 0.30 0.35 0,40 0,45 0,50 0.30 0,35 0,.40 0.45 0,50 0.15 .090 123 162 ,205 .254 ,203 269 ,343 ,419 .504 0.20 ,107 .145 .189 .236 .289 .256 .336 .423 .511 .605 0.25 ,116 ..156 .202 .251 ,305 .292 .381 .476 .571 .668 0.30 .120 ..160 .206 .256 .309 .315 ,410 .509 .609 .707 0.35 .120 .l60 .206 .256 .308 .330 .427 .529 .631 ,730 0.40 .l18 .l58 .203 .253 ,305 .337 .437 .54 .644 ,743 通孔 ,096 .l31 .l71 216 .265 329 ,428 .531 ,630 ,725 型应变花 C 孔径,D./D 孔径,D./D 盲孔深度/D 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.00 ,000 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .000 000 0.06 .081 .106 .132 .163 .200 .132 .167 .199 .235 ,279 .178 .230 .286 .349 .427 386 .451 ,533 .624 0,12 .309 0,18 .252 321 .395 .475 ,565 .464 ,569 .666 .760 .857 0.24 .297 .375 ,546 .640 ,576 .696 805 .905 ,997 .458 0.30 ,321 .404 ,491 583 ,679 .650 ,778 .893 .994 1.081 0.36 .333 ..417 .601 .701 .697 .829 .946 1.048 .507 1.131 0.42 .337 ..422 .514 .610 .712 .727 .860 .98o 1.082 1.162 0.48 .338 .423 .516 .614 .717 .746 .881 1.001 1.103 1.182 通孔 .316 .399 .494 .597 .707 .623 .723 ..799 .847 859 对于如图1b)所示的非均匀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 5.4.2.2 之前1
GB/T31310一2014 2n T 具 图3标定常数矩阵的物理说明 5.4.2.4测量在一系列孔深阶段上的释放应变以提供足够的信息来计算每个阶段中的应力
.a和
再根据这些应力来计算主应力
.相_以及方位角A 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中的试验标定方法确定
5.4.3.2由于采用低速钻,无法控制步进孔深，一般均按均匀应力场处理，一次钻到最终深度
5.4.4孔深的影响 释放应变的大小主要受近表面残余应力的影响,随着距表面深度的增大内部应力的影响会逐渐消 失
因此,方法B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对于薄工件一般应钻通孔
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 型应变花工件厚度不应超过0.48D(见图4)
b A型应变花 B型应变花 C型应变花 c 图4应变花型式 6.2对于厚工件,一般应钻盲孔
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)
GB/T31310一2014 6.3需要粘贴应变计的表面必须光滑平整
粘贴应变计前,工件表面应符合(粘贴应变计)胶粘剂说明 书的要求,通常应干净无油脂
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
应变花和测量仪器 应变花的几何形状 7.1 一个应变花由三个单独或成对的应变敏感栅组成,敏感栅的编号遵循顺时针规则a 7.1.1 注图2所示的敏感栅与通用型应变花及其他类型应变花常用的逆时针编号规则不同
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井敏感棚与3井敏感栅位置互 换,最大拉应力的方向角需相应的颠倒过来,按重新定义的1井敏感栅逆时针旋转月角即为主应力方向 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)基准方向 b 与基准方向成45"或135"夹角 与基准方向垂直 c) 方向(2)将方向(1)与方向(3)二等分 7.1.4沿1井敏感栅的方向定义为工轴方向,将其逆时针旋转90°的方向确定为轴方向 7.1.5应变花的测点中心圆及其圆心应清晰可辨
7.2标准应变花 7.2.1目前有多种型号的标准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4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常规情况下残余应力测试推荐使用图4中的A型应变花
注:选择合适的应变花尺寸非常重要,大应变花可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一侧,适用于测点附近有障碍物的情况 7.2.4图4中的C型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 半桥电路
它主要适用于对敏感性和温度稳定性要求较高的场合n 7.3应变花的粘贴和使用 7.3.1在工件表面粘贴应变花时,其中心应至少距离工件最近的边缘1.5D;如果工件由多种材料组成、 其中心应至少距离材料分界线1.5D
7.3.2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侧
7.3.3应变花的使用粘贴,煤引线,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20000Mn以上
7.3.5应检查应变花是否粘贴良好
如有可能,可以施加一个较小的载荷到工件上以产生一些小应 变,当卸除该载荷后,观测到的应变值应归零
另外,应仔细检查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应变记录仪的分辨率应优于士(1×10-i),短时稳定性和重复性至少为士(1×10-6)
连接应变
GB/T31310一2014 花的导线应越短越好,对A型和B型应变花可采用三线温度补偿电路o,对于C型应变花可采用半桥 连接电路
输出结果分别定义为ei,、e
和ea 7.4.2推荐采用JJG623对应变仪进行检定
试验程序 8.1 参考资料 参考文献[l1]、[12]、[28][31]为钻孔残余应力测试的人员提供了高质量完成钻孔残余应力测试 的操作指导
钻孔装置及使用 8.2 在工件表面钻孔时,应采用合适的工装,以确保钻孔与应变花上圆心的偏离在士0.004D 8.2.1 以内
每次钻孔的深度偏差应控制在士0.004D以内,图5给出了一种典型的钻孔装置
12 从钻具底部向上看 和电露 应变显示 对中装置 钻孔装置 -锁紧环; -压缩空气; 镜筒; 10 -涡轮钻具; 3 目镜; l1一深度标尺; 水平调节旋钮; 12一碳化物铁刀; 高度调节旋钮; 5 13一偏心铁刀; 6- 锁紧螺母 14削轨迹; -底座帽 15 -定位套简 8一底座 图5典型的钻孔装置
GB/T31310一2014 8.2.2适用于残余应力测试的钻孔技术有很多
常见的钻孔技术除了极硬的材料之外可适用于所有 材料,例如使用由高速空气涡轮或转速为50000r/min~400000r/mini的马达驱动的碳化物牙钻或 端部钝刀
如采用压力钻或手电钻进行低速钻孔,因为容易在孔边产生切削应力,故应力标定常数需要 特殊标定,(见9.2). 8.2.3对于极硬的材料,可以采用喷砂钻孔装置,利用它可将带有极细颗粒的高速空气流射向工件以 ,15] 达到钻孔效果 但该装置不适用于较软的材料时,也不能用在有应力梯度的场合,因为它无法严格 控制孔深和孔形
8.2.4对于高速钻来说,如果选用钻头或端部铁刀作为高速切削工具的话,应选择“倒锥形”牙钻或小 型碳化物端部钒刀
商品化供应的钻头往往是根据不同用途来进行设计的,并不是每种钻头都适用于 残余应力测量
因此,如果没有经验可供借鉴,则需要对钻孔技术和钻头进行鉴别和选择
首先在一个 [3,7,15,l6] 经过退火的无应力工件上" "贴上应变花,然后钻孔
对于高速钻孔方法,如果由钻孔引起的应变 在士8!E范围内,则认为该技术和钻头是适用的
8.2.5如果由钻孔所导致的应变量很大,或很难在被测材料上钻孔,则可以添加合适的润滑液对钻头 进行润滑
润滑液应是绝缘介质,不应使用任何含水或有电导性的液体,因为它们可能会渗透到应变计 的桥路中,导致数据失真
8.2.6切削刀具的顶端倾角不得大于1",这样可避免钻孔底部深浅不一致,钻孔深度偏差应小于刀具 直径1%
对于方法B,顶端倾角不作要求,钻孔深度超过1.2D
即可
8.2.7“倒锥型”钻头端面处的直径最大,向柄身过渡时逐级变细
这样的锥形有利于确保孔壁边缘的 加工质量,减少钻头与孔壁的摩擦,并防止由此引起的切削应力
为确保整个截面上的孔径大小基本一 致,该锥角不应超过5
8.2.8钻孔时可采用将刀具轴心正对应变花上圆心并下压钻孔的方法,另外有一种替代的方法是采用 轨道钻孔技术,即刀具轴心与钻孔圆心有所偏离
由于刀具并未采用常规的对中方式,而是在一个 围绕着钻孔圆心的特定轨道上运行,这样就可以钻出一个比刀具直径要大一些的孔来
直接对中应变 花上圆心的压人法优点比较简单,而轨道法的优势在于能够通过调整偏离量来获得不同大小的孔径,有 效的利用圆柱型切削刃进行排屑
8.2.9表4列出了各种类型的应变花所对应的孔径范围
均匀应力测量以及非均匀应力测量的取值 范围有所不同
表4工件厚度、钻孔直径和钻孔步进深度推荐值" 单位为毫米 均匀应力 非均匀应力 薄工件最厚工件最 应变花 类型 大厚度 小厚度 最小孔径 最大孔径 步进深度！ 最小孔径 最大孔径步进深度" A型 D 名称 0.4D 1.2D 0.6MaxD0 MaxD 0.05D MinD. MaxD 0.01D 公称值 2.,57 l,03 3,08 0,61 1.01 0,125 0,93 1.00 0,025 1/32in. o.121 0.101 (0.040 0.024 (0.040 0.005 0.037 0.040 0.00l 5,13 6.17 1.52 2.54 0.25 1.88 2.12 0.05 2.06 公称值 1/16in.(0.202) 0.081 0.242 0.060) 0.100 (0,010) 0.075) 0.085 0.002) 10.26 4.1m 12.34 3.35 5.59 0.50 3.75 4.25 0.1o 公称值 1/8in. 0.404 0.170 0.004) 0.162 0.485 0.132 0.220) (0,020 (0.150 10o
GB/T31310一2014 表4(续 单位为毫米 均匀应力 非均匀应力 应变花 薄工件最厚工件最 类型 大厚度 小厚度 最小孔径 最大孔径 步进深度" 最小孔径 最大孔径步进深度" B型 0.6MaxD MinD 名称 0.4D 1.2D MaxD. 0.,05D MaxD 0.01D 5,13 2.06 6.17 1.52 0.25 1.88 2.12 0.05 2.54 公称值 1/16in. (0.202) o.081) (0,.242) 0.06o) 0.,100y (0,010) (0.075) 0,085 (0.,002 C型 名称 0.48D l.44D 0.6MaxD MaxD 0.0575D MinD MaxD 0.0115D 4.32 2.07 6.22 l.52 2.54 0.25 l.88 2.12 0.05 公称值 1/16in. 0.170 0.082) 0.245 0.060 0.100 (0,010 0.075 0,085 0,002 括号()内数值单位为英寸
见8.4.3的注
8.2.10由于释放应变的大小近似与钻孔直径的平方成正比,因此钻孔直径一般优先采用范围上限值
如果使用的是直接对中应变花上圆心的压人法,刀具直径应等于孔径
如果使用的是轨道法,刀具直径 应为孔径的60%90%,并选取一定的偏离量使孔径达到设定值
8.2.11钻孔应在恒温下进行
每钻一步都应停刀一段时间,使由钻孔和涡轮排气所导致的温度波动 恢复平稳,退刀工序则无此项要求
在读取最终的应变值之前应至少等待5s时间
8.2.12测量薄工件上的均匀应力时,需按照8.3中的钻孔程序执行;测量厚工件上的均匀应力时,需按 照8.4中的钻孔程序执行;测量厚工件上的非均匀应力时,需按照8.5中的钻孔程序执行
8.3均匀应力状态薄工件的钻孔程序 8.3.1对于薄工件,钻孔前应读取每个应变计的初始应变值,然后开始钻孔
8.3.2钻孔时应沿轴向缓慢进刀直至钻透整个工件
如果采用轨道钻孔技术,刀具同时沿环形轨道运 行
随后停机,退刀,读取应变值ei、e，和e 8.3.3测量孔径,确认其是否在表4所规定的数值范围内
8.3.4检查孔的同心度是否在8.2.1中允许的误差范围内
8.3.5根据9.1.1.1或9.2计算均匀残余应力
8.4均匀应力状态厚工件的钻孔程序(针对方法A 8.4.1对于厚工件,钻孔前先读取每个应变计的初始应变值,然后开始沿轴向缓慢进刀直至划透应变 花基底并稍稍刮擦工件表面,将该点设定为“零”孔深
注:实践中可以采用刀具与工件间是否形成电气回路来判定“零”孔深
8.4.2到“零”孔深后停刀,确认所有的应变计读数没有明显变化
用此时新的应变读数作为后续应变 测量的初始应变值
8.4.3启动刀具,对于A型或B型应变花每次进刀量为0.05D,对于c型应变花每次进刀量为0.06D
如果采用轨道技术,应使刀具沿环形轨道运行
然后停刀,记录每个应变计上的读数e 和e 也可 E1,E2 e1
采用与上述步进值相近的进刀量,不过由于需要对表3中所列的标定常数进行附加插值运算,其计算会 复杂一些 1l
GB/T31310一2014 注;实际工作中,对于1/32英寸的A型应变花每次可进刀0.125mm,对于1/16英寸的A型、B型或C型应变花每 次可进刀0.25mm,对于1/8英寸的A型应变花可进刀0.501 mm
即使每次的进刀量与规定值0.05D或0.06D 存在小的偏差也不会对残余应力测试结果造成太大影响
8.4.4重复上述进刀步骤,需将整个孔深分解为8个相等的步进深度,记录每次步进钻孔后的应变读 数
对于A型或B型应变花最终孔深约为0.4D,对于C型应变花最终孔深约为0.48D. 注:之所以规定钻孔深度需达到0,4D或0,48D,是因为钻到该深度后应变读数即使还会有所增加,但读数的大小 主要是受近表面应力的影响,对于A型以及B型应变花孔深超过0.2D后,C型应变花孔深超过0.3D后,应变 花对下一层应力释放的敏感性几近消失
因此本方法实际上测量的是距表面深度0.2D或0.3D的近表层内的 残余应力的平均值
8.4.5测量钻孔直径,确认其是否在表4所规定的数值范围内
8.4.6检查孔的同心度,确认其是否在8.2.1中允许的误差范围内
8.4.7按9.1.1.2的规定计算均匀残余应力
8.5非均匀应力状态厚工件的钻孔程序(针对方法A 8.5.1钻孔前先读取每个应变计的初始应变值,然后开始缓慢进刀直至划透应变花基底并稍稍刮擦工 件表面,将该点设定为“零”孔深
见8.4.1的注). 到“零"深度后停刀,确认所有的应变计读数没有明显变化
用此时新的应变读数作为后续应变 8.5.2 测量的初始应变值
启动刀具,对于1/32英寸的A型应变花每次进刀量为0.0!英寸(.025 8.5.3 mm),对于1/16英寸 的八型,B狸或C型应变花每次进刀量为0002英寸.5mm),对于1/8英寸的A型应空花每次进刀 量为0.04英寸(o.10mm)
然后停刀,记录每个应变计上的读数e、E
和e，
8.5.4当使用A型或B型应变花时需将整个孔深分解为20个相等的步进深度,重复上述进刀步骤,并 记录每步中的应变读数
8.5.5当使用C型应变花时需将整个孔深分解为25个相等的步进深度,重复上述进刀步骤,并记录每 步中的应变读数
8.5.6测量钻孔直径,确认其是否在表4所规定的数值范围内
8.5.7检查孔的同心度,确认其是否在8.2.1中允许的误差范围内
8.5.8按9.1.2的规定计算非均匀残余应力
残余应力计算 9.1方法A:高速钻孔残余应力计算方法 9.1.1均匀应力计算 9.1.1.1薄工件 g.1.1.1.1根据测得的释放应变e1,Ee 和e!,按式3),式(4)和式(5)计算下面的组合应变 9.1.1.1.2在表3中根据孔径大小和应变花类型来选择标定常数a.万 g.1.1.1.3将组合应变户,q和代人以下式(6),式(7)和按式(8)分别计算三个组合应力P,Q和T时 12
GB/T31310一2014 Ep p 6 a1十 Eqg 9.1.1.1.4按式(9),式(10)和按式(11)分别计算平面笛卡儿坐标系下应力值d,d,和, 9 6 ，=P十Q T
g.1.1.1.5按式(12)计算主应力dm和o rmin: (12 dm,口mn=尸士Q十T 9.1.1.1.如图2所示,最大拉伸(或最小压缩)主应力
位于从1井敏感栅方向起顺时针转过8角的 与此类似,最小拉伸(或最大压新)主应力
位于从3并般感栅方向起顺时针转过角的方向
方向
按式(13)计算8角 9.1.1.1.7 13 吉 8 =arctan " 9.1.1.1.8可利用单一自变量反正切函数来计算8角，一般的计算器都具备该功能,但是它可能会与真 值间相差士90"
正确的角度值可以通过双自变量反正切函数来计算(在有些计算机命令中为atan2). 该函数中分子和分母的符号是分开考虑的
或者,将单一自变量反正切函数的计算结果通过增加或减 去90'使其到达表5所规定的角度范围
表5主应力方向角p Q Q<0 Q0 =0 T0 45"一8<90" 45 0"<8<45" T=0 90" 不确定 90" -45？80 一90"3一45 一45 9.1.1.1.98角为正值,如8=30°,表示o在1井敏感栅顺时针转动30°的方向上
8角为负值,如8= 一30',表示d在1井敏感栅逆时针转动30"的方向上
一般来讲,d的方向与绝对值最大且符号为负 压缩)应变的方向相一致
注:8角的转动方向仅是针对敏感栅采用顺时针编号规则的应变花,例如图2所示的应变花
如果敏感栅编号采用 那么/角就应逆时针旋转
后者的1#相3#般感栅的位置相对于前者刚好互换，新定 的是逆时针编号规则 义的1井敏感栅方向成了参考方向
当使用逆时针编号敏感栅时,如果角为正值,如3=30°,表示om在1井 敏感栅逆时针转动30°的方向上
除此之外,顺时针编号敏感栅和逆时针编号敏感栅在计算方法上都是相 同的
9.1.1.1.10如果计算所得的主应力超过了材料屈服强度的60%,即表明孔边材料发生了局部屈服
这 种情况下无法给出定量的结果,只能给出“定性”的报告
总体上,当计算得到的应力值超过材料屈服强 度的60%时,即提示该应力值有所高估,实际值应比计算结果偏小一些
9.1.1.2厚工件 9.1.1.2.1绘制应变eiEee,与孔深间的关系曲线,确认数据点的变化趋势较为平滑
对存在较大误 差和明显偏离主曲线的数据点应进行筛查,必要时重新钻孔 13
GB/T31310一2014 9.1.1.2.2根据不同深度下测得的ei,E、Ea,采用式(3)一式(5)计算与之相关的组合应变户q和！
9.1.1.2.3为了验证残余应力沿孔深方向上是否大小一致,首先需从各个孔深中挑选出q或1绝对值较 大的那一组数据,将该处测得的组合应变p以及较大的q和1分别除以最大孔深所对应的组合应变(用 百分比表示)
绘制这些百分比与对应孔深间的关系曲线
所得到的图形应与图6中的曲线很相 近同
如果所得数据点明显偏离图6中的曲线(超过士3%),则表明应力分布沿厚度方向是不均匀的， 或者是应变测量存在较大误差
无论是哪种情况,这些数据都无法用于均匀应力场的计算,而采用非均 匀应力测量方式会更合适一些
见8.5
100 10o 比值 比值 80 80 g或比值 4成比值 60 60 40 40 20 20 O.0.O6.1.80.0.3.6020.48 0.0.05.I0.50.200.25.30.350.40 孔深与应变园直径比值 孔深与应变圆直径比值 型和B型应变花 A C型应变花 图6应变释放比与孔深关系曲线应力沿厚度方向均匀分布 注:上述图形化的验证方式对均匀应力场并非足够敏感,那些具有非均匀应力场的工件也会呈现类似图6的应变 曲线
该验证试验的主要目的是为了大致箭在出非均匀应力场以及应变测量误差
该验证试验仅对"原"工件 适用
9.1.1.2.4在8个不同孔深处测得应变值ei,ee;,根据表3选择不同孔深,孔径及应少花所对应的标 定常数乙和万
表中的数据根据有限元分析得到" 9.1.1.2.5由相应的组合应变力和q和按式(14)、式(15)和按式(16)分别计算三个组合应力P,Q和 ,其中,习表示指定变量在8个孔深处的总和. T[19 .(14 15 16 注，可以仅将一组数据ei,e,e,例如最大孔深处的应变测量值代人式(3)~式(8)计算出组合应力尸,Q和T, 用该方式可对残余应力进行快速评估
然而应优先采用9.1.1.2.5节中的平均计算方式,因为该方式将所有数 据点都纳人计算,可以显著降低随机误差o" g.1.1.2.6根据9.1.1.1.59.1.1.1.10计算笛卡儿应力d,口,和下,主应力d和d以及主应力方向 角8
9.1.1.3中等厚度工件 g.1.1.3.1对于那些介于薄工件和厚工件之间的中等厚度工件不在本标准的技术范围内
如果工件的 应力分布较为均匀,可以用表3中给出的“通孔”以及“盲孔”和“通孔”标定数据的内插值得到近似结果 14
GB/T31310一2014 采用这种方式计算出的残余应力应注明为“非标准”和“近似”结果
9.1.2非均匀应力计算 9.1.2.1应变数据 g.1.2.1.1绘制应变ei,ea,e，与孔深间的关系曲线,确认数据点的变化趋势较为平滑
对存在较大误 差和明显偏离主曲线的数据点应进行筛查.必要时重新钻孔
9.1.2.1.2根据不同深度下测得的e1,Ea,ea,代人以下式(17),式(18)和按式(19)分别计算组合应变 e十e (17 18 注:式(17)、式(18)、式(19)中的下标代表应变值ei、e、e，所对应的不同步进深度序号 9.1.2.1.3按式(20)、式(21)和按式(22)分别估算组合应变的标准差 3p 3 y (20 p” 20卫 aa土8a兰 qd 21 20(n 3t十3ta ld 22 20(n 3 注式(20),式(21),式(22)中的"代表不同步进深度下所测应变值的序号,其总和的取值范围1
GB/T31310一2014 表7钻孔标定矩阵b一公称尺寸为1/16英寸的A型应变花(孔径2mm) 应力深度 孔深 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0,45 0.50mm 0,002 0.004 0,006 0,008 0,010 0,012 0.014 0.016 0,018 0.020in mm 0.050.002 -0.01264 0.100.004-0.01470-0.01352 0.150.006-0.01656一0.01554一0.01414 -0.01735一0.01611一0.01449 0.200.008-0.01821 0.250.010-0.01967-0.01897-0.01789-0.01642-0.01458 0.30o.012-0.02092-0.02038-0.01946-0.01815-0.01647-0.01439 0,350,014-0,02197一0,02159一0.0208一0,01968-0,01815一0,01624一0,01395 0.400.016-0.02308-0.02256-0.02182一0.0211-0.01952一0.01778-0.01576一0.01348 0,450.018-0.02400-0,02351-0.0228o-0.02202-0.0207-0,01917-0.,01735-0.01525-0.01288 0.500.020-0.0248-0.02434-0.02366-0.0227-0.02167-0.0203]-0.01868一0.01678-0.01460-0.01216 0.550.022-0.02554-0.02507一0.02440一0.02362一0.02235一0.02103一0.01981一0.01793一0.01599-0.01386 0.6ol0.024 0.02616-0.02571-0.02505-0.02428-0.02305-0.02177-0.02045-0.01890 -0.01715-0.01522 0.650.026-0.02668-0.02625-0.02561-0.02487-0.0236-0.02239-0.02109-0.01949-0.0181-0.01623 0.700.028-0.02715-0.02673一0.02611一0.02536一0.02417-0.02294-0.02164一0.020 12 -0.,01866-0,01708 0.75lo.030 -0.02753-0.02713-0.0265s一0.02582-0.0246s一0.02341-0.022 -0.01767 -0,02064 0.01911 0.800.032-0.02789-0.02749-0.02690-0.02620-0.02502-0.02382-0.02256(-0.02108-0.01968-0.01807 0.850.034 0.02821一0.02781一0.02722一0.02652一0.02536一0.02417一0.02292一0.02146一0.02007一0.01850 0.900.036 -0,02848一0.02809一0.,02750一0,02682一0.02565一0.,02447一0.02324 -0.02176一0.0204 -0.01885 0.950.038-0.02871-0.02832一0.02774一0.02706-0.0259-0.02473-0.02350-0.02204-0.02067-0.01916 1.000.,040一0.02889一0.02851一0,02794一0.,02727一0.,02612一0,0249s一0,02373一0,02227一0,.02089一0.01940 应力深度 孔深 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00mm 0.022 0.024 0,026 0.028 0,030 0.032 0.034 0.036 mm 0.038 0.040in 0.550.022一0.01156 0.600.024-0.0131c-0.01081 0.650.026 -0.01430-0.01226一0.01013 0.700.028-0.01531]一0.01345一0.01149一0.00944 0.75l0.030-0.01608-0.01439-0.0126c-0.01073-0.00875 0.01652-0.0151 -0.01172一0.00995-0.00812 0.800.032 -0.01344 0.850.034-0.01698一0,01549-0,01408一0,01251-0.01089-0,00921-0,.00747 0.90l0.036-0.01736-0.01590-0.01441-0.01312-0.01159-0.010o4-0.00847一0.00688s -0.o176g-0.01624一0.01480-0.o134o-0.o1213-0.01072-0.00928一0.00781 0.950.038 0.00632 1.000.04o-0.01796-0.01655-0.0151l-0.01367-0.01249-0.01121-0.00989-0.00856一0.00719-0.00581 注，表中数据对应的是公称尺寸为1/16英寸的应变花
如果采用1/32英寸的应变花,则需将所有孔深和步进 深度乘以0.5的修正系数,如果采用1/8英寸的应变花,则需乘以2的修正系数
GB/T31310一2014 表8钻孔标定矩阵4一公称尺寸为1/16英寸的B型应变花(孔径2mm) 应力深度 孔深 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0,40 0,45 0.50mm 0,002 0,004 0.006 0.008 0.,010 0,012 0.014 0.016 0,018 0.020in mmm in 0.,050,002一0.,00726 0.10o,004-0.,00878s一0,00766 0.150,.006一0.01013-0,00909一0.00788 0.,200,008一0.,01133一0,01037一0.,00924一0,00793 0.25lo.01o-0.01237-0.0114g-0.01043一0.00921l-0.0078 0.30l0.012-0.01325-0.01245一0.01147一0.01033-0.00901-0.00751 0.350.014-0.01397-0.01325-0.01235-0.01129-0.01004一0.00863-0.00704 0.400.016 0.01471-0,01388一0.01297一0.0121-0.01088一0.00956一0.0081m -0.00654 0.450.018一0.01533一0.01450一0.01360-0.01268一0.01161]-0.01039一0,.00904一0.00758一0,00599 0.500.020-0.01587-0.01504-0.01414-0.01313-0.0121-0.011l05-0.00981-0.00845-0.00696-0.00536 0.550.022 0.01634一0,0155o-0.0146o一0.01367-0.01257一0.o1147-0.01046一0.,00909一0.00774 -0.00633 0.600.024-0.01672-0.01589一0.01500一0.01406一0,01299一0.01190-0.01082一0.00964一0.00839-0.00708 0.650.026-0.01705-0.01621-0.01532一0.0144们-0.01332-0.01225一0.01118一0.00997一0.00892一0.0076！ 0.70o,028 0.01735-o.,01651-0.01561-0.01468-0,01362-0.0125s-0,01148-0.01031 0.00921 -0.00810 0.750.03o一0.01759一0.01675一0.01586一0.01493一0.01387一0.0128c一0.01174一0.01059一0.00945 -0.00840 0.800.032-0.0178]-0.01697-0.01607-0.01515-0.01408-0.01302-0.01196-0.01080-0.00974-0.00860 0.85l0.034 -0.01799-0.01715-0.01625一0.o153s-0.01426一0.o1320一0.01213一0.01099-0.00992-0.00881 0.90l0.036-0.01814一0.01730-0.01640-0.01550-0.01441-0.01334-0.01229-0.01114-0.01008一0.00897 0.950.038-0.01829-0.01744-0.0165一0.01561-0.0145-0.01347-0.01242-0.01129-0.01021-0.00912 1.000.040 -0.01843一0.,01757一0.01666一0.01573一0.01465一0.01358一0.01253一0.014o一0.01035一0.00925 应力深度 0.65 0.70 1.00mnm 孔深 0.55 0.60 0.75 0.80 0.85 0.90 0,95 0.022 0.024 0.026 0.028 0.030 0.032 0.034 0.036 0.038 mm 0.040in 0.550,.022一0.00486 0.600,.024-0,0057一0,0043C 0.650.026-0.00637-0.00509-0.00379 0.700.028-0.0069]一0.00571一0.00450一0.00327 0.750.030-0.00730-0.00619-0.00506一0.00392-0.00277 0.800.032-0.00753一0.00655一0.00549一0.00443一0.00339-0.00234 0.85o.034-0.00775-0,00674-0.00581-0.00484-0.00387-0.00291-0.00195 0.900.036-0.0079s一0,00695-0.00598一0.0051-0.0042一0.00333-0,00246-0.00162 0.950.038-0.00809-0.0071c-0.00617一0.00528-0.00449-0.00366一0.00285一0.00207一0.00131 -0.00822一0.00724一0.00632一0.0054一0.00466一0.00389一0.00314 -0,00242一0.00172一0,00104 l.000.040 18
GB/T31310一2014 表9钻孔标定矩阵b一公称尺寸为1/16英寸的B型应变花(孔径2mmm 应力深度 孔深 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0,40 0,45 0.50mm 0,002 0,004 0.006 0.008 0.,010 0,012 0.014 0.016 0,018 0.020in mmm in 0.,050,002一0.01417 0.10o,004-0,0165s一0.01516 0.150.006-0.01866-0.01746一0.01585 0.,200,008一0.02055一0,01953一0,0181一0.016214 0.25o,01o 0.02222-0.02138-0.02012-0.0184-0.01634 0.30l0.012-0.02365-0.02299一0.02190-0.02040-0.01848一0.01614 0.350.014-0.02485-0.02437-0.02346-0.0221-0.02039-0.01823-0.01564 0.400.016 0.0261o一0,02547-0.02459一0,02375一0.02195一0.01997-0.01769一0.,01510 4 0.450.018一0.02715一0.02656一0.02571]一0.02479一0.0233]-0.02154一0,019 -0.01709一0.01440 0.500.020-0.02806-0.02750-0.02670-0.02561-0.02440-0.0228-0.02097-0.01879-0.0163-0.01353 0.550.022 0.02888一0,02833-0.02755一0.0266-0.02517一0.02365一0.02225 -0.02008一0.o1787一0.01546 1s 0,.600,024一0,02958一0,02906一0,02830-0,0274o一0,02598-0,02450一0,02298一0,021 -0,01919-0,01699 0.650.026-0.03019-0.02968一0.02894一0.02808-0.02666一0.02521一0.02370一0.02186一0.02030一0.01816 0.70o,028 0.0307-o.,03023-0.02950-0.0286-0,0272-0.02584-0,02435-0.02257 -0.01910 0.02089 0.750.030一0.03116一0.03068一0.02998一0.02914一0.02778一0.02638一0.02491]一0.023 o -0.02139-0.01976 0.800.032-0.03158-0.03108-0.03038-0.02956-0.02822-0.02684一0.02539-0.02366一0.02202-0.02022 0.85l0.034 -0.03192-0.03143-0.03073-0.02990-0.02859-0.0272:s-0.0258-0.02410 -0.02247 -0.02071 0,.90o,036-0.,03221一0,03173一0.03104一0,.03022一0.02891一0,02756-0.02616一0.02444-0.02287一0,021 12 0.950.038-0.03247-0.0320c-0.03131-0.03048-0.02919-0.02785-0.02645-0.02475-0.02317-0.02146 1.000.040 -0.03268一0.03222一0.,03154一0.03074小一0.02944一0.028l0一0.0267 -0.02501 0.02342一0.02173 应力深度 0.65 0.70 1.00mnm 孔深 0.55 0.60 0.75 0.80 0.85 0.90 0,95 0.022 0.024 0.026 0.028 0.030 0.032 0.034 0.036 0.038 mm 0.040in 0.550,.022一0.01285 0.600.024-0.01460-0.01202 0.650.026-0.01596-0.01367-0.01126 0,700,.028一0.0171o一0,0149g一0,01278一0,01046 0.750.030-0.01795-0.01603一0.0140]一0.01188一0.00964 0.800.032-0.01846一0.01685一0.01493一0.01299一0.01l00-0.00895 0.85o.034-0.01899-0,01729-0.01567一0.o0139o-0.01207-0.0101-0.00825 0.900.036-0,.01942-0,01779-0.01608一0.01459-0.01288一0.01115-0,00940-0.00762 0.950.038-0.01979-0.01817-0.01650一0.01493-0.01349-0.01191一0.01030一0.00866一0.00700 -0.02008一0.01848一0.01684一0.01521一0.01389一0.01245一0.01098一0.00948一0.00796一0.0064组 l.000.040 19
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GB/T31310一2014 表10(续) 应力深度 0.55 0.75 孔深 0.60 0.65 0.70 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00mm 0.022 0.024 0.026 0,028 0.,030 0.032 0.034 0.036 0,038 mm in 0.040in 0.750.030-0.01572-0.01344-0.01102一0.00864-0.00630 0.80l0.032-0.01633一0.01408一0.01185一0.00978-0.00753一0.00540 0.850.034-0.01682-0.01461-0.01246-0.01052-0.0085-0.0065-0.00456 0.900.036-0.01724一0.015o1一0.01296一0.0110-0.00924一0.00742一0.0056一0.00381 0.950.038 -0.01756-0.015400.01334-0.01142一0.00968-0.0081d-0.00639 -0.00476一0,00317 1.000.040-0.01785一0.01567一0.01366一0.01175-0.01008一0.00849一0.00699一0.00547一0.00401一0.00259 1.050.042-0.01808一0.01589-0.01388一0.01204-0.01037一0.0088-0.00733一0.00596-0.00468-0.00335 1.100.044-0.01828-0.01609-0.0141d-0.01224-0.0106-0.00909-0.00765-0.0063]-0.0051-0.00392 1.150.046-0.01843一0.01631-0.01429-0.01242-0.01081一0.00932-0.00788一0.00658-0.0054]-0.00434 1.200.048 -0.01855一0.01643一0.,01444一0.01258一0.01098一0.00949一0.00807 -0.00679一0.00565一0.00463 1.25o,05o-0.01865-0,01652-0.01455-0.o01271-0.0111-0.,0096-0,00822-0.00695-0.00581 -0.00485 应力深度 孔深 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25mm 0,042 0,044 0,046 0.048 0.050in mmm in 1.050.042-0.00210 -0.00278-0.0016s 1.l00.044 1.15l0.046-0.00331-0.00230-0.00137 1.200.048-0.00367一0.00275-0.00188-0.00105 1.250.050一0.00393一-0.00304一0.00227一0.00151一0.00076 表11钻孔标定矩阵b一公称尺寸为1/16英寸的c型应变花(孔径2 mm 应力深度 孔深 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0,45 0.50mnm 0,002 0,004 0,006 0.008 0,010 0,012 0.014 0.016 0,018 0.020in mmm in 0.,050,002一0,02533 0.100.004-0,02958一0.02675 0.15o,006 -o.,03109-0.02767 0.03345 0.200,008 0.03693一0.03504一0.03209一0.02808 0.250.01o一0.04004一0.03862一0.03614一0.03259一0.02798 0.300.012-0.0429-0.04164-0.03970-0.03704-0.0324一0.02744 0.350.014-0,04555-0,04439-0.04258一0.04050-0.0364]一0.0319-0,02670 0.400.016-0.04790-0.04676-0.04511-0.04293-0.0396-0.03607-0.03095-0.025683
GB/T31310一2014 表11(续) 应力深度 孔深 0.05 0.20 0.30 0.10 0.15 0.25 0.35 0.40 0,45 0,50mm 0.012 mm in 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.014 0.0l6 0.018 0.020in 0.450.018 0.05005一0,04892一0.04728一0.,04526一0.04211一0.03909-0.03458一0.02976一0.02442 0.50l0.02o-0.0520-0.05084一0.04918一0.04711-0.04419-0.04115一0.0373-0.03340-0.02817-0.0230叫4 0.550.022-0.05363一0.05253一0.05092-0.04881-0.04599-0.04307-0.03955一0.03601-0.03129-0.0265！ 0.600.024-0.05495-0.05391-0.05237-0.05036-0.04758-0.04467-0.04136-0.03798-0.03362-0.02952 0.650.026-0.05614一0.05513一0.05362一0.05164-0.04893一0.04609一0.04280一0.03962一0.03548一0.03163 -0.05714一0.05615一0.,05469一0.05276一0.05007一0.04730一0.04397 -0.,04076一0.03696一0.03326 0.700,028 0.75lo.03o-0.058o4-0.057o6-0.0556d-0.05371-0.05105-0.04829-0.0450s一0.04179 -0.0381 -0.03461 0.800,032 0.05882-0.05782-0.05635一0.05448-0.05186-0.04915-0.04590-0.04273-0.03912-0.03565 0.850.034-0.05949-0.05850-0.05704一0.05514-0.05255一0.04985-0.04664一0.0435-0.03996-0.03657 0.900.036-0.06006-0.05908一0.05762一0.05571-0.05315一0.05044-0.04727一0.04412-0.04068-0.03731 0.950.038-0.0605]-0.05955-0.0581l-0.05622-0.05364-0.05100-0.04781-0.04465一0.04125-0.03799 1.000.040-0.06091]-0.05997一0.05854一0.05664-0.05407一0.05142一0.04828一0.04513一0.04176一0.03850 88 95 1.050.042一0.,06124一0,06030-0.058 -0.,05703一0.05444 -0.04218一0.038 -0,0517一0,04865一0,0455外 -0.06153-0.06059一0.05918一0.05733-0.05478一0.052o8一0.04898一0.04592一0.04254 1.100.044 -0.03932 1.150,046 0.06175一0.06083一0.05943一0.05757一0.05505一0.05243一0.04927一0.04618一0.04282一0.03962 1.200.048-0.06195-0.06104-0.05965一0.05779-0.05528一0.05267-0.0495一0.04644一0.04308-0.03986 1.250.050o-0.06211-0.06122一0.05984一0.05801-0.05547一0.0528-0.04972一0.04667-0.04331-0.04009 应力深度 孔深 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0,95 1.00mm 0.022 0.028 0.030 0.034 0.036 0.038 mm 0,024 0,026 0,032 0.040in 0.550.022 -0.02155 0.600.024 0.02466-0.01984 0.65l0.026-0.02733一0.02289-0.01827 0.70l0.028-0.02935-0.02559一0.02113一0.01677 4 0.750.030-0.03085-0.027 -0,02345-0.01944-0.01536 0.800.032-0.03202-0.02862一0.02506一0.02168-0.01784一0.01406 0,850,034一0,03300一0,02966(一0,02624一0,02314一0,1978-0,01633一0,01276 0.90o,036 -0.03382-0.03048-0.02723-0.02407-0.02126-0.01813-0.01487 -0,01149 0.950.038 0.03448-0.03124一0.0279g-0.02494-0.0221m-0.01956一0.01647-0.0134 -0.01034 1.000.04o一0.03505一0.03182一0.02864一0.025610.02290一0.02031一0.01771一0.01495一0.01216一0.00935 1.050.042-0.03550-0.03229一0.02915一0.02620一0.02348一0.02095-0.01842一0.01600一0.01363-0.01102 1.100.044-0.03590-0.03269-0.02961-0.02666-0.02400-0.02146一0.01908-0.01675一0.01459-0.01227 22
GB/T31310一2014 表11(续) 应力深度 孔深 0.70 0.75 0.80 0.90 0.95 0.55 0.60 0.65 0.85 1.00mm mm in 0.022 0.024 0.026 0.028 0.030 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040in 1.150.046 0.03623一0.03308一0.02999一0.0271o一0.0244一0.02191一0.01955一0.01733一0.01523一0.01311 1.200.048-0.0365o一0.03337-0.03030-0,.02743一0,0248一-0.02229-0,01996一0.01776一0.01576-0.01373 1.25o.05o-0.03674一0.03361-0.03055一0.0277o-0.02507一0.02263-0.02028一0.0181o-0.01609-0.01420 应力深度 孔深 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0,80 0.85 0,90 0,95 1,00mm mm in 0.022 0.024 0.026 0.028 0.030 0.032 0.03小 0.036 0.038 0.040in 0.55o.022-0.02155 0.60l0.024 -0,.0246d-0.0198 0.65l0.026-0.02733一0.02289-0.01827 0.700.028-0.02935-0.02559-0.02113一0.01677 4 0.750.030 0.03085一0.,027 -0.02345-0.01944-0.01536 0,80,032一0.,03202一0,02862一0,02506一0,02168一0.0178一0,01406 0,850,034-0,0330一0,02966 -0,02624一0,02314一0,1978一0,01633一0,01276 0.90l0.036 -0.03382-0.03048一0.02723一0.02407-0.02126-0.01813一0.01487 -0.01149 4 0.950,038 0.03448一0.03124一0.02799一0.02494一0.02211一0.01956一0.01647一0.013 -0.01034 1.000.040-0.03505-0.03182一0.02864一0.02561-0.02290一0.02031-0.0177 -0.01495一0.01216-0,00935 1.050.042-0.0355c-0.03229一0.02915一0.02620o-0.02348一0.02095-0.01842一0.0160c-0.01363-0.01102 1.100.044-0.03590-0.03269-0.0296一0.02666-0.02400-0.02146-0.01908-0.01675-0.01459-0.01227 1.150.046-0.03623-0.03308-0.02999-0.02710-0.02444-0.0219-0.01955一0.01733-0.0152s-0.013l] -0.03650一0.03337 1.200,048 -0,0303C一0,02743一0,02480一0,02229一0.01996一0,01776一0,01576一0,0137”3 1.250.05o -0.03055一0.02770-0.02507一0.02263-0.02028一0.01810 -0.03674一0.0336 -0,01609一0.01420 应力深度 孔深 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25mm 0.042 0.044 0,046 0.0480.050in mm in 1.050.042-0.0085 1.100.044-0.01000-0.00775 1.150.046-0,01116-0,00907一0,00703 -0.01191-0,0101-0.00824-0.00637 1.200.048 .250.05o-0.0124一0.0108]-0.00926一0.00751一0.00582 9.1.2.3应力计算方法 g.1.2.3.1采用积分方式可以计算出不同孔深所对应的残余应力,其应变值需要求解下列矩阵方程 23
GB/I31310一2014 E aP一 23 24 bQ=Eg T=E 25 以上公式中 o)十o， 26 d、 27 T=r (28) 组合应变p们和/可根据式(17)~式(19)确定
当钻孔所采用的步进次数较小时,可采用式(23) 式(c25)计算残余应力"
然而当钻孔所采用的步进次数较多时,矩阵
和矩阵b成了榈态矩阵,在这种 情况下,少许的应变测量误差可能导致应力计算结果产生很大的误差
为了减少这种效应,可采用下述 的Tikhonov正则化方法a1一时 9.1.2.3.2组成三对角“二阶导数”矩阵e (29 矩阵的行等于钻孔所采用的步进次数,第一行和最后一行为零,其余各行数据[一1 一1]沿对 角线对称分布
9.1.2.3.3使用矩阵c代人式(23)式(25)来实现Tikhonov二阶导数(平滑模型)正则化 30 a'a十ape'e)P一 a'" f罚 r十aoeTe)Q -E万" 31 32 'b十arc'c)T=Eb'！ 9.1.2.3.4应力调整因子ap,ao和a预设值的大小会影响到运算的次数,采用该方法进行运算会使应 力结果更加平滑
如果因子为零,则式(30)一式(32)与先前未采用该方法的式(23)一式(25)是等同的
当选择较大的符号为正的调整因子时,曲线的平滑效果明显
如果调整因子过小的话,会在曲线上留有 异常噪声,这种异常噪声会导致结果失真,在选择最优的调整参数时需处理好这两者之间的关系
9.1.2.3.5首先预设较小的调整因子 和a下,取值范围在10-10-"之间为宜,求解式30) a尸ao" 式(32)获得应力P,Q和T
9.1.23.6由于采用了Tikhono(平滑模型)正则化方法,未经平滑处理的应变数据代人式(23) 式(25)所计算出的组合应力尸,Q和T与平滑后的应变数据p,q和！无法准确对应,两者间的差异采 用失配向量(misfit)表示,见式(33)式(35). 十y aP 33 bmism T .( 34 -Q qmislit=g 厨 .(35 bT 三t 7mifit 9.1.2.3.7计算“misfi”失配向量均值的平方,见式(36)式(38). 2
GB/T31310一2014 m 36) brms 37 qmisfi 9rm 38 g.1238如果/.4m/,
与式(0)一式(c22)中的户.n/i之间的差异小于5%,可以认为 组合应力P,Q和丁的计算结果可信,否则需要重新估计新的调整因子
(39 ap)new zap)wd rm qd ao 40 云ao)od qm ' ar)ne a下)d 41 lrms 9.1.2.3.9根据式(30)~式(4l)重新计算新的组合应力P,Q和T,直到满足差异小于5%的判据
9.1.2.3.10按式(42),式(43)和按式(44)分别计算 (a=P-Q 42 o,=P，十Q 43 14 c),=T 9.1.2.3.11按式(45)和按式(46)计算主应力和方向角 o.),(o)，=P士QT 45 46 3 ，-亏art 9.1.2.3.12可以采用双自变量反正切丽数(在有些计算机命令中为atan2)来确定的象限角,或者将 单自变量反正切函数的计算结果增加或减去90"使其大小刚好处在表5所示的角度范围内
9.1.2.3.13如果3角为正值,例如月=30",表示am,位于1#井应变计顺时针转动30"的方向上;如果3角 为负值,如8=一30°,表示厅位于1井应变计逆时针转动30°的方向上
9.1.2.3.14通常,口的方向与数值上绝对值最大且符号为负的(压缩)应变的方向紧密相关
当组合 应力Q和T同时为零时,则表示该处为各项同性应力场8角无意义 9.1.2.3.15绘制om,和口m与孔深的关系曲线,如果计算所得的应力超过了材料屈服强度值的60%,这 种情况下无法给出定量的结果,只能给出“定性”的报告
当计算得到的应力超过材料屈服强度值的 60%时,即提示该应力值有所高估,真实值通常比计算结果偏小 9.1.3残余应力测量原始记录 9.1.3.1均匀应力薄工件 9.1.3.1.1每个应变花上的应变读数 9.1.3.1.2计算每个应变花上的.r、y方向应力以及主应力
9.1.3.2均匀应力厚工件 9.1.3.2.1绘制每个应变花所对应的应变-孔深关系曲线
9.1.3.2.2将每个应变花上的应变ei,e
和e，列表 9.1.3.2.3计算每个应变花上的r、y方向应力以及主应力 25
GB/T31310一2014 g.1.3.3非均匀应力状态厚工件 g.1.3.3.1绘制每个应变花所对应的应变-孔深关系曲线
9.1.3.3.2将每个应变花上的应变ei,、E，和e，列表
9.1.3.3.3估计每个应变花上的应变标准差
9.1.3.3.4绘制每个应变花所对应的r、y方向应力-孔深关系曲线并列表
9.1.3.3.5将每个应变花上的主应力和主方向角列表
9.2方法B;低速钻孔残余应力计算方法 9.2.1采用低速钻技术(一般为手电钻),钻孔时的加工应变特别明显
另外考虑到该方法经常用在高 残余应力场合,所以应力标定常数的确定应采用附录A中的试验标定方法获取 9.2.2由于手工钻孔时的下压速度很难控制,所以钻孔时不再分步,而是一次钻到规定深度1.2D 9.2.3根据测得的应变e1,Eg
和e按式(3)一式(5)计算组合应变 9.2.4根据式(47)计算主应力d和dmm: -/2B 口max,口min +"+" 2A 式中: A、B为应力标定常数
初次计算时采用0.3a，下的系数,如果所得应力接近材料的0.7
，或0.9a,,再选用相应应力下的 A、,B标定系数重新计算
方向角多的计算拨照9.l.l.l计算
9.2.5 9.2.6如果计算沿应变计1和3方向的应力值,则按式(48)一式(49)计算: 48 a=CAe1+C山e 49 d=CAe,+CAei 式中: C=(A十B)/4AB C,=(B一A)/(A十B)
试验报告 10 试验报告应包含以下内容 本标准编号; a b测点位置; 钻孔方式 c 工件名称和测试材料; 应变花的型号和几何尺寸; 残余应力测量结果
11 精度和偏差 11.1试验技术 参考文献[1]、[12]. 11.1.1操作者的技能和熟练程度可能是影响测试结果精度的最重要因素之一
26
金属材料残余应力测定钻孔应变法GB/T31310-2014
1. 钻孔应变法原理
钻孔应变法是通过钻取样品上的小孔，测量孔边缘处材料的应变来确定残余应力的大小和方向。其原理基于胡克定律，即单位应变和应力成正比。
2. GB/T31310-2014标准规定
GB/T31310-2014标准是我国制定的关于金属材料残余应力测定的标准。该标准规定了钻孔应变法的测量方法、仪器设备、数据分析等方面的要求。
3. 测量方法
钻孔应变法的具体测量步骤如下：
- 在待测材料上钻取直径为1~2mm的小孔；
- 将菲涅尔透镜和光学拓扑仪固定在孔边，使透镜正对孔，并通过光学系统测量出孔边缘处的光强度分布；
- 通过计算机处理，得到各个方向上的应变值；
- 根据应变-应力关系，推算出残余应力的大小和方向。
4. 数据分析
得到测量数据后，需要进行数据分析，以确定材料的残余应力大小和方向。常用的分析方法有：
- 轴向对称条件下反演法：利用轴对称性，推算出沿径向、周向和轴向上的应力分量；
- 平面应力条件下反演法：利用平面应力假设，推算出x、y、z三个方向上的应力分量；
- 有限元数值模拟法：利用有限元分析软件，将材料模型建立为三维网格结构，根据测得的应变数据计算残余应力。
5. 应用领域
钻孔应变法广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、机械等行业中对金属材料残余应力的测量和分析。例如，在飞机制造过程中，需要对飞机机身等重要部位进行残余应力检测，以确保其安全可靠。
6. 总结
钻孔应变法是一种简单、快速、准确的测定金属材料残余应力的方法，已经在许多领域得到了广泛的应用。GB/T31310-2014标准对钻孔应变法进行了规范，使得该方法更加标准化、科学化。在实际应用中，除了需要掌握测量方法和数据分析技巧外，还需要注意样品的制备、操作过程中的环境干扰等因素，以确保测量结果的可靠性和精度。未来，随着科学技术的发展，相信钻孔应变法在金属材料残余应力测量方面的应用将会越来越广泛，为各行各业提供更好的服务和支持。
