ICS 77.040. 10 H 22 团 体 标 准 T/CSTM 00347 -2020 金属材料 盘/环形锻件 残余应力测定 轮廓法 Metallic materials Determination of disk/ring forgings residual stress Contour method 2020-09-30 发布 2020-12-30 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347— 2020 I 前 言 本文件参照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。 请注意本 文件的某些内容有可能涉及专利。本 文件的发布机构不应承担识别这些专利的责任。 本文件由中国材料与试验团体标准委员会 综合标准 领域委员会 （CSTM/FC99 ）提出。 本文件由中国材料与试验团体标准委员会 综合标准 领域委员会 （CSTM/FC99 ）归口。 CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347— 2020 1 引 言 残余应力是平衡于物体内部的应力，源于制备 过程中不均匀的塑性变形。金属盘 /环形 锻件在制备过程中 产生的残余应力会对后续精加工和 服役过程造成重要影响，并有可能成 为导致部件失效的重要因素之一。 轮廓法是一种破坏性 的残余应力测试技术，于 2001年被首次提出并验证 。轮廓法的 理论基础是 Bueckner 叠加原理的一种变换 。它具有过程简单、经济、对微观组织不敏感 等特点，通过测量计算可得到 垂直于切割平面 的残余应力 平面二维分布图。 本文件制定的目的是为 在工程应用中金属盘 /环形锻件内部残余应力的可靠测定提供 技术规范， 为制定残余应力 控制指标 奠定基础。 CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347-2020 1 金属材料 盘/环形锻件 残余应力测定 轮廓法 1 范围 本文件规定了采用轮廓法测定金属材料盘 /环形锻件内部残余应力的术语和定义、原理、 设备、测 量步骤、误差分析 和报告要求。 本文件适用于金属材料盘 /环形锻件内部弦向残余应力面分布的测定。 具有对称结构的 其他形状工 件的弦向残余应力测定可 参照使用。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条 款。 其中， 注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；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。 GB/T 16857.1 产品几何量技术规范 (GPS)坐标测量机的验收检测和复检检测 第1部分：词汇 GB/T 16857.4 产品几何量技术规范 (GPS)坐标测量机的验收检测和复检检测 第4部分：在扫描 模式下使用的坐标测量机 GB/T 33582 机械产品结构有限元力学分析通用规则 3 术语和定义 GB/T 16857.1 和GB/T 33582界定的术语 和定义适用于本文件 。 4 原理 轮廓法测量残余应力的基本原理是利用应力释放与变形的关系，并结合有限元法和释放技术，计算 得出某一截面上的内部应力分布。 图1 a）所示为具有残余应力的待测工件， 待测 oyz平面上的初始应力张量为 σＡ(x, y, z)；将工件沿 着需要评估应力的平面完整切成两半，应力释放将引起切割面变形，见图 1 b），此时切割变形后切割 面上的应力张量为 σB(x, y, z)； σC(x, y, z)为图 1 c）中使切割变形后曲面恢复到切割前平面状态的应力张 量。假设切割面的变形轮廓是由残余应力弹性释放造成的 ，并且切割过程 不会产生额外的附加应力，根 据Bueckner 叠加原理，可得： σＡ(x, y, z) = σB(x, y, z) + σC(x, y, z) (1) 当工件沿切割面切开后，应力释放引起切割面变形，切割面上的位移边界条件和应力边界条件都为 0。此时，切割面上 x方向的正应力 σB x(x, y, z)、xy方向的切应力 τB xy(x, y, z)、xz方向的切应力 τB xz(x, y, z)都为 0。 由于表面轮廓的测量仅限于切割面的法向方向（ x方向），因此，仅可在 x方向施加位移边界条件， 使得切割变形后的曲面恢复到切割前的平面状态， y方向和 z方向的位移不受限制。此时，切割面 xy 方向上的切应力 τC xy(x, y, z)和xz方向上的切应力 τC xy(x, y, z)则为 0。由此，式 (1)可以简化为 σA x(x, y, z) = σC x(x, y, z) (2) CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347-2020 2 式(2)中，σA x(x, y, z)为待测 oyz平面上 x方向的初始正应力， σC x(x, y, z)为使得切割变形后 曲面恢复 到切割前平面状态的 x方向的正应力。 因此可以利用切割面上的变形轮廓得到垂直于切割面的原始内部 应力值。 a) 具有残余应力的构件 b) 构件切割后变形 c) 施加应力恢复到平面状态 图1 金属材料轮廓法测量残余应力示意图 5 设备 5.1 切割设备 使用电火花线切割机 (WEDM)切割锻件。为减少切割过程中 切割宽度 对测量结果的影响，应选择直径 较小的切割丝。考虑到切割 丝直径过小， 会增加切割时间或导致切割过程中切割丝 断裂，推荐按表 1规 定的锻件最大厚度 选择切割丝的直径。 表1 推荐的WEDM丝直径 锻件厚度 mm WEDM丝直径 μm <15 100 15~50 150~200 >50 250 5.2 测量设备 对于直径 不大于 200 mm的金属材料盘 /环形锻件，轮廓测量设备的精度应 不大于 ± 0.02 mm。对于 直径大于200 mm的金属材料盘 /环形锻件，轮廓测量设备的精度应 不大于± 0.05 mm 。 推荐采用接触式坐标测量机或 非接触式 坐标测量机 对切割面的变形轮廓进行采集。 6 测量步骤 CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347-2020 3 6.1 确定测量位置 对于盘/环形锻件，应沿着 直径纵向将盘 /环切割成两半，测定弦向 残余应力在纵截面的分布特征。 具有对称结构的 其他形状工件残余应力测量位置的选定原则应 结合待测样品构件的几何特征 和应 力分布特点 。 6.2 固定和约束 切割前应对待测盘/ 环形锻件 进行固定和约束 （见图 2），以防止盘/ 环形锻件 在切割过程中发生位 移或转动 。固定和约束的位置应靠近切割面 两侧。夹紧的约束不应给锻件带来切割面法 线方向的应力。 a) 固定约束示意图 b) 切割面示意图 图2 轮廓法切割过程中双面夹紧装置 示意图 6.3 切割和清理 6.3.1 切割 按表 1选择电火花线切割机用 切割丝材 ，以慢速单向切割方式将锻件切割成两半，切割表面 粗糙度 Ra应不大于 1.6 μm。将锻件从固定约束上取下后，切割面由于弦向残余应力的释放变成不平整的曲面。 6.3.2 表面清理 应对切割表面进行清理，表面不得有油污、铁屑等残留物。 6.4 扫描轮廓 CSTMhQÆQl^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00347-2020 4 6.4.1 接触式坐标测量机 测量 测量时， 应对测量过程进行编程， 以获取变形截面上的点坐标。 坐标系的原点应位于切面对称轴上。 在每个方向上的测量点数量应 大于 100个，或者每个测量点之间的距离在 2 mm以内。测量过程中应保 证环境温度的波动 不大于 5℃，测量过程 应符合 GB/T 16857.4 的规定。 6.4 2 非接触式坐标测量机 测量 测量时，应对整个切割截面进行完整扫描。坐标系的原点应位于切面对称轴上。扫描点密度应 大于 100个/cm2。 6.5 轮廓回归 6.5.1 剔除扫描轮廓异常值 在保持表面轮廓完整的同时，应剔除因加工表面粗糙、表面的尘埃、测量边界的伪影和测量误差产 生的轮廓异常值。 典型的异常值可以通过绘制扫描轮廓， 并从视觉上寻找明显远离轮廓整体的点来识别。 6.5.2 对齐坐标系 得到的两个扫描轮廓以镜像的形式存在。应对其中一个扫描轮廓的笛卡尔坐标进行刚体平移和旋 转，使两个扫描轮廓统一到相同的坐标系下。 6.5.3 平均两侧扫描轮廓数据 两侧扫描轮廓的坐标系对齐后，将两侧扫描轮廓匹配点的数据进行平均，得到平均扫描轮廓数据。 6.5.4 平滑拟合 应将平均后的扫描轮廓进行平滑拟合，以