《軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法》征求意見稿

ICS77.040.10

CCSH22

團體標準

T/CSTMXXXXX—2022

軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法

Measurementmethodofresidualstressinrolledsteelplatebymagnetic

anisotropy

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

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引言

鋼板軋制過程導(dǎo)致較大殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，而目前針對軋制鋼板中存在的殘余應(yīng)力并沒有簡單而行

之有效的檢測手段。本文件提出的殘余應(yīng)力磁各向異性檢測技術(shù)可以很好填補這個空白，可為工程應(yīng)用

中軋制鋼板等鐵磁性工件殘余應(yīng)力的穩(wěn)定、可靠、無損測定提供技術(shù)規(guī)范。

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軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法

1范圍

本文件規(guī)定了軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法的檢測要求、檢測原理、檢測系統(tǒng)、檢測程序、

檢測報告。

本文件適用于單晶以及含有不同物相的多晶鐵磁性軋制鋼板試件檢測。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB22448-2008500kV以下工業(yè)X射線探傷機防護規(guī)則

GB/T7704-2017無損檢測X射線應(yīng)力測定方法

GB/T24179-2009金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法。

GB/T26140-2010無損檢測測量殘余應(yīng)力的中子衍射方法

GB/T33210-2016無損檢測殘余應(yīng)力的電磁檢測方法

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

磁各向異性Magneticanisotropy

材料的磁特性尤其是磁導(dǎo)率在應(yīng)力作用下隨著方向的變化，并在不同的方向上呈現(xiàn)出差異的性質(zhì)。

3.2

磁化線圈Magnetizingcoils

用于提供激勵磁場、磁化待測試件的傳感器線圈組件。

3.3

磁化電流Magnetizingcurrent

對待測試件進行磁化，以在其表面及一定深度得到必要磁化場而提供給磁化線圈的電流。

3.4

1

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檢測線圈Detectioncoils

用于提取磁各向異性輸出信號以獲取應(yīng)力狀態(tài)的線圈組件。

3.5

應(yīng)力系數(shù)Stresscoefficient

測量設(shè)備輸出電壓與被測試件應(yīng)力值之間的關(guān)系系數(shù)。

3.6

輸出電壓Outputvoltage

由測量設(shè)備拾取、經(jīng)過處理后檢測線圈輸出的電壓值。

3.7

工作電壓Operatingvoltage

儀器正常工作時所需的輸入電壓。

3.8

工作功率Operatingpower

儀器正常工作時所需的功率。

3.9

儀器測量精度Measuringaccuracyofinstrument

儀器測量值與真實值之間的接近程度，包含分辨率和精度兩方面。

3.10

零應(yīng)力試件Zero-stressspecimen

經(jīng)過應(yīng)力消除處理，殘余應(yīng)力為零或接近于零的標準試件。

3.11

載荷應(yīng)力Loadstress

由外部施加使工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形等效應(yīng)的各種直接作用。

3.12

被測材料Materialstobetested

被檢測零部件的材質(zhì)。

3.13

測點Surveypositions

被測試件中被選擇用于放置傳感器的位置。

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3.14

傳感器Sensors

感受被測量的信息，并將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號，以滿足信息的傳輸、處理、

存儲、顯示、記錄和控制等要求的器件。

3.15

儀器主機Instrumentmainframe

用來控制傳感器進行測量并進行運算的測試設(shè)備核心部件。

3.16

應(yīng)力分布Stressdistribution

應(yīng)力大小和方向在零部件中隨位置變化而變化的狀態(tài)。

3.17

殘余應(yīng)力分布Residualstressdistribution

軋制鋼板中殘余應(yīng)力隨位置的變化情況。

3.18

主應(yīng)力Principalstresses

在測點位置法向量為n=(n1,n2,n3)的微面積元上剪應(yīng)力為零時的正應(yīng)力。

3.19

主應(yīng)力分布Principalstressdistribution

待測試件主應(yīng)力大小及方向等隨各測點位置的變化情況。

4符號和說明

本文件使用的符號和說明見表1。

表1符號和說明

符號說明單位

σx沿x軸的應(yīng)力MPa

σy沿y軸的應(yīng)力MPa

σ1、σ2主應(yīng)力MPa

θ主應(yīng)力σ1與x軸間的夾角rad

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K輸出電壓與應(yīng)力差之間的比例系數(shù)V/MPa

Ri檢測線圈的電阻值Ω

Xi檢測線圈的感抗值Ω

U檢測線圈輸出電壓V

H磁場強度A/m

B磁感應(yīng)強度T

τxyxy平面的剪切應(yīng)力MPa

τii點處的剪切應(yīng)力MPa

σii點處的正應(yīng)力MPa

5檢測要求

5.1人員要求

殘余應(yīng)力檢測人員應(yīng)具有電學(xué)與力學(xué)相關(guān)背景；設(shè)備維護和操作人員應(yīng)經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)，取得操作資格

證。

5.2設(shè)備要求

檢測設(shè)備應(yīng)工作狀態(tài)良好，并定期進行外觀、測量范圍、最大允許誤差、檢測重復(fù)度等檢驗。

5.3試件要求

a)待測試件表面、測點處應(yīng)保持清潔、無異物，一般無須對試件進行特殊處理；帶涂層（如油漆）

試件（涂層厚度不超過2.0mm）也可正常進行測量。

b)進行標定校正曲線前，應(yīng)對標準試件進行應(yīng)力消減或調(diào)零（或是近零應(yīng)力試件）。用于標定的

試件材質(zhì)應(yīng)與待檢試件材質(zhì)種類及化學(xué)成分相同。

c)完成一次測量后，應(yīng)消除試件的干擾磁場，退磁過程建議在2秒內(nèi)完成。

5.4測點布局

測點位置可按陣列形式排布。測點間隔推薦為16.0～40.0mm；測點的列數(shù)為2n+1(n≥1)列，測點

行數(shù)為2n+1(n≥1)行；相鄰行間測點按等腰三角形布局、且間隔相等。用戶可以根據(jù)實際情況和上述

要求設(shè)計測點進行測量，測點布局如圖1所示。

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圖1測點布置示意圖

5.5環(huán)境條件

檢測時，儀器周圍不應(yīng)有強磁場，建議環(huán)境溫度25℃左右，相對濕度60%左右。檢測應(yīng)在穩(wěn)固

的平臺上進行，檢驗區(qū)域內(nèi)應(yīng)無可察覺的機械動。傳感器探頭直徑5倍尺寸范圍內(nèi)，除檢驗裝置和樣品

外不應(yīng)有可能影響檢測儀正常工作的其他物體。

注：不同材質(zhì)、溫度變化較大時可能需要重新進行校準。

6檢測原理

6.1設(shè)備工作原理

當通過磁化線圈對軋制鋼板施加磁場時，鋼材產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度平行于磁場，應(yīng)力存在時材料變得

具有磁導(dǎo)率各向異性，二者存在一個角度。利用含有殘余應(yīng)力或載荷應(yīng)力的軋制鋼板被磁化時具有磁性

各向異性的特點，通過輸出線圈提取反映磁導(dǎo)率各向異性強弱的信號來判斷軋制鋼板中殘余應(yīng)力的大小

和方向，其原理框圖如圖2所示。

圖2軋制鋼板殘余應(yīng)力的磁各向異性檢測儀器原理框圖

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6.2主應(yīng)力的確定

軋制鋼板測點處主應(yīng)力的計算參考連續(xù)介質(zhì)中主應(yīng)力的求解方法，如圖3所示。

圖3連續(xù)介質(zhì)中主應(yīng)力的分解

作用于正方體單元各面的平均應(yīng)力可分為垂直成分σ和平行成分τ。假定正方體單元的上下面沒有受

到應(yīng)力的作用，則x方向的合力為：

（1）

根據(jù)彈性解析理論，作用于b面的剪切應(yīng)力τb即為該點的τxy，它與主應(yīng)力差的關(guān)系為

（2）

這里θ是主應(yīng)力σ1與x軸之間的夾角，即從主應(yīng)力σ1的方向開始，沿逆時針旋轉(zhuǎn)到x軸方向所需轉(zhuǎn)

動的角度。若已知θ和主應(yīng)力差(σ1-σ2)，即可求出τxy，而τxy在b及d點分別為τb和τd。因此，利用上式

就可以求出τb和τd，然后代入式（1）即可求出作用于c面的垂直應(yīng)力σc（此時令σa=0，因a點處在端面），

σc即為c點的應(yīng)力。σc即為該點的σx。同樣的方法反復(fù)使用，即可求出e點，f點的σe,σf。

另一方面，由彈性解析理論可得出

σy=σx–(σ1-σ2)cosθ(3)

利用上式可求出圖4中所示各點的應(yīng)力σy。因此，我們在已知主應(yīng)力差(σ1-σ2)和角度θ的條件下，

能夠相應(yīng)的計算出各點x和y軸上的應(yīng)力。

由各測點的切應(yīng)力差，用切應(yīng)力差法計算出主應(yīng)力σ1及σ2，

（4）

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假設(shè)p=σ1+σ2，q=σ1-σ2，則主應(yīng)力σ1及σ2還可以表示為：

（5）

（6）

7檢測系統(tǒng)

7.1檢測儀器

殘余應(yīng)力磁各向異性檢測儀器一般由傳感器、勵磁系統(tǒng)、信號檢出系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)

等幾部分組成。

圖4軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測儀器

7.2傳感器探頭

傳感器探頭有四腳和九腳兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示。對于四腳探頭，分別在對角線腳上繞兩個磁

化用和輸出用線圈。磁化線圈通以交流電流，探頭放在軋制鋼板上，無應(yīng)力時，探頭兩輸出腳處在等磁

位點，輸出電壓為零；當軋制鋼板有殘余或載荷應(yīng)力時，由于鋼材被磁化時應(yīng)力引起不同方向的磁導(dǎo)率

不同，及磁導(dǎo)率各向異性，兩腳磁位不同，輸出線圈產(chǎn)生電壓信號。因此當磁化信號呈周期性變化時，

輸出線圈中就會產(chǎn)生了輸出信號電壓。

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圖5四腳、九腳傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

7.3輸出信號

檢測線圈輸出信號與主應(yīng)力σ1、σ2的關(guān)系為：

Ie

U12cos2K12cos2

R2X222

ii（7）

式中R2、X2分別為檢測線圈的電阻和感抗值，θ是主應(yīng)力和探頭方向的夾角，K為輸出電壓與主應(yīng)

力差之間的比例系數(shù)。根據(jù)線圈輸出信號，對照事先利用相同材質(zhì)制備的標準試件在拉力實驗機上測量

出來的校正曲線(輸出電壓和應(yīng)力的關(guān)系曲線），如圖6，即可確定主應(yīng)力差及主應(yīng)力大小。

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圖6磁各向異性應(yīng)力檢測的校正曲線

7.4儀器特性

a)儀器適用于具有鐵磁性的各類軋制鋼板殘余應(yīng)力的無損測量，對被測構(gòu)件沒有任何損傷；

b)應(yīng)力檢測效率高，1～2秒內(nèi)即可完成單個測點的測量，方便工程現(xiàn)場應(yīng)用；

c)一般不需對被測試件表面進行處理，對于帶涂層（厚度不超過2.0mm）試件也可進行測量；

d)儀器具有測點退磁功能；

e)可進行表面下0～2.0mm范圍內(nèi)的分層應(yīng)力測量；

f)能實現(xiàn)被測構(gòu)造物殘余應(yīng)力及其二維分布的測量，并自動繪制應(yīng)力分布圖；

g)附有數(shù)據(jù)庫，具有數(shù)據(jù)存儲、處理數(shù)據(jù)、制圖和管理功能，同時具有再開發(fā)功能；

h)根據(jù)測試需要可配備多種型號探頭；

i)測量儀器便攜，操作簡便，測量成本低。

7.5儀器技術(shù)指標

a)工作頻率為0~1000Hz，磁化工作電流為0.3~1.0A；

b)電源工作電壓為220V（交流）/5V可充電鋰電池；

c)非接觸測量的最大間距為2.0mm；

d)應(yīng)力檢測范圍±400MPa（可超過被測材料屈服強度20﹪）；

e)測量的相對不確定度為5％。

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7.6檢測結(jié)果

檢測結(jié)果可以以下幾種形式展示：

a)測點處的主應(yīng)力差的大小、方向及其分布圖；

b)測點處主應(yīng)力的大小、方向及其分布圖；

c)測試x、y軸上的應(yīng)力數(shù)據(jù)及其分布圖；

d)測試結(jié)果的分析與表征。

8檢測程序

8.1檢測步驟

一般可按以下步驟進行殘余應(yīng)力檢測：

a)完成測點和測試方案的整體設(shè)計；

b)完成試樣各測點的表面狀況確認；

c)連接好測試系統(tǒng)并運行測試軟件系統(tǒng)；

d)按系統(tǒng)提示測點坐標開始逐點測量直到測量完成；

e)根據(jù)需要輸出測試數(shù)據(jù)或應(yīng)力分布圖。

8.2檢測數(shù)據(jù)處理

殘余應(yīng)力磁各向異性檢測儀器可按要求輸出相應(yīng)應(yīng)力大小、方向的數(shù)據(jù)及圖片，并可直接進行數(shù)據(jù)

輸出和圖片的打印。如有特殊要求，可選用相關(guān)數(shù)據(jù)利用圖形軟件進行進一步處理。

8.3檢測過程記錄

a)記錄實驗室溫度、濕度。

b)樣品檢測原始記錄，獲得的檢測結(jié)果，應(yīng)填寫在樣品檢測記錄卡，記錄卡推薦格式見表2。

表2實驗記錄卡

試件名稱材料牌號測試時間

試件生產(chǎn)廠家及

試件編號檢測儀器及編號

批次

檢測標準

檢測條件

測試文件名及說明檢測情況及結(jié)果備注

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試件名稱材料牌號測試時間

檢測人：審核人：

9檢測報告

檢測報告應(yīng)當包括下列內(nèi)容：

a）檢測原理和方法；

b）試件名稱、生產(chǎn)廠家等信息；

c）檢測數(shù)據(jù)及圖表，測試結(jié)果及分析；

d）檢測時間與地點及環(huán)境條件；

e）檢測過程中的異常情況；

f）檢測結(jié)論及問題討論。

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附錄A

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：

本文件主要起草人：

_________________________________

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前??言

本文件參照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》，GB/T20001.4

《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》給出的規(guī)則起草。

請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會鋼鐵材料領(lǐng)域委員會（CSTM/FC01）提出。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會鋼鐵材料領(lǐng)域委員會（CSTM/FC01）歸口。

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軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法

1范圍

本文件規(guī)定了軋制鋼板殘余應(yīng)力磁各向異性檢測方法的檢測要求、檢測原理、檢測系統(tǒng)、檢測程序、

檢測報告。

本文件適用于單晶以及含有不同物相的多晶鐵磁性軋制鋼板試件檢測。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB22448-2008500kV以下工業(yè)X射線探傷機防護規(guī)則

GB/T7704-2017無損檢測X射線應(yīng)力測定方法

GB/T24179-2009金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法。

GB/T26140-2010無損檢測測量殘余應(yīng)力的中子衍射方法

GB/T33210-2016無損檢測殘余應(yīng)力的電磁檢測方法

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

磁各向異性Magneticanisotropy

材料的磁特性尤其是磁導(dǎo)率在應(yīng)力作用下隨著方向的變化，并在不同的方向上呈現(xiàn)出差異的性質(zhì)。

3.2

磁化線圈Magnetizingcoils

用于提供激勵磁場、磁化待測試件的傳感器線圈組件。

3.3

磁化電流Magnetizingcurrent

對待測試件進行磁化，以在其表面及一定深度得到必要磁化場而提供給磁化線圈的電流。

3.4

1

T/CSTMXXXXX—2022

檢測線圈Detectioncoils

用于提取磁各向異性輸出信號以獲取應(yīng)力狀態(tài)的線圈組件。

3.5

應(yīng)力系數(shù)Stresscoefficient

測量設(shè)備輸出電壓與被測試件應(yīng)力值之間的關(guān)系系數(shù)。

3.6

輸出電壓Outputvoltage

由測量設(shè)備拾取、經(jīng)過處理后檢測線圈輸出的電壓值。

3.7

工作電壓Operatingvoltage

儀器正常工作時所需的輸入電壓。

3.8

工作功率Operatingpower

儀器正常工作時所需的功率。

3.9

儀器測量精度Measuringaccuracyofinstrument

儀器測量值與真實值之間的接近程度，包含分辨率和精度兩方面。

3.10

零應(yīng)力試件Zero-stressspecimen

經(jīng)過應(yīng)力消除處理，殘余應(yīng)力為零或接近于零的標準試件。

3.11