《钢丝绳 实际残余应力测定方法》编制说明

《钢丝绳实际残余应力测定方法》

行业标准编制说明

《钢丝绳实际残余应力测定方法》行业标准编制组

2023.07

《钢丝绳实际残余应力测定方法》行业标准编制说明

(征求意见稿)

一、工作简况

1.1任务来源

本项目是依据工业和信息化部下达的“2023年第一批行业标准制修订和外文

版项目计划”，项目编号：2023-0380T-YB,项目名称为“钢丝绳实际残余应力测

定方法”。本项目为制定项目。主要起草单位：南通市产品质量监督检验所，项

目周期为24个月，计划完成时间为2025年04月。

1.2标准化对象简要情况

该项目适用于钢丝绳实际使用、各生产企业生产过程，由于钢丝绳在生产过

程中，原材料盘条经过拉拔压缩以及钢丝绳捻制过程中不可避免地产生残余应

力，残余应力的大小对钢丝绳的力学性能和使用性能均有重要的影响。随着轴向

残余拉应力的增加,钢丝在扭转过程中处于扭转和拉伸的复杂应力状态下,因此萌

生裂纹的概率增加,降低钢丝扭转性能。钢丝表面的残余拉应力会在一定程度上

降低疲劳寿命,而残余压应力可提高钢丝及钢丝绳的疲劳寿命。当钢丝表面存在

残余拉应力且处于腐蚀性环境时,应力腐蚀的作用将迅速降低钢丝的性能。钢丝

绳内部的钢丝处于扭转和弯曲的组合状态下,残余拉应力加上钢丝绳结构形式的

共同作用影响钢丝绳的性能。钢丝绳在各行业应用广泛，像海洋工程、机械钻井、

石油化工等重大工程项目，钢丝绳一旦因为残余应力而失效，轻则财产损失重则

危及人民生命安全。可以说，一旦失效，触目惊心。本标准旨在建立检测残余应

力试验方法，在安装时我们可以随时监控到残余应力的大小，及时规避，这样可

以避免许多事故的发生。

1.3研制背景

1.3.1残余应力在金属构件中的危害

残余应力的存在影响构件的各项性能,比如影响构件精度和稳定性甚全导构

件失效,主要体现在如下几个方面:(1)构件在服役过程中,若外部存在腐蚀介质,在

其与残余拉应力的共同作用下,构件易产生应力腐蚀开裂从而导致失效;(2)含残

余应力的构件经过机械加工后,构件内部的应力场会重新分布,从而影响构件尺寸

的稳定性,达不到精度要求;(3)在循环交变载荷作用下,含残余应力的构件更易萌

生和扩展疲劳裂纹,构件结构失稳从而断裂;(4)材料的塑性变形能力较差时,含残

余应力的构件会因静载强度降低从而局部脆断。历史上有许多灾难性事故皆因残

余应力而起,所以研究残余应力形成原因及分布规律,有利于减少事故发生率,提

高构件安全性和使用寿命,具有重大的现实意义。

1.3.2残余应力在钢丝绳中的危害

残余应力的危害一是导致钢丝绳变形，钢丝绳在生产过程以及钢丝绳在服役

过程中均存在残余应力，残余应力的存在将产生与钢丝绳螺旋线方向相反的力，

破坏钢丝绳结构的稳定性，导致钢丝绳变形，钢丝错位、绳股冒出、绳股错位等，

进而钢丝绳在运行过程发生卡顿、反扭等现象，钢丝绳基本报废。二是导致钢丝

绳断裂，残余应力也是引起钢丝绳疲劳破坏的主要原因,这些应力在反复变形的

时候扩大了钢丝中存在的微小裂纹,使得裂纹越来越大,最后使钢丝断裂,进而使

得钢丝绳失效。残余应力作为评估钢丝绳安全性能七大重要指标之一（强度、耐

疲劳、残余应力、耐磨性、弯曲度、耐冲击性、耐腐蚀性）。目前，其余六项指

标检测方法均有国家标准，就残余应力检测指标至今没有相应的标准进行规定。

而残余应力是关乎钢丝绳在服役期间的安全状态一个重要指标。许多钢丝绳失效

与钢丝绳本身存在的残余应力以及在安装时导致的残余应力有关。所以，建议钢

丝绳在出厂前以及安装使用后均应检测残余应力这一指标。

1.4主要工作过程

起草(草案、调研)阶段:计划下达后，2023年04月全国钢标委钢丝绳分委

员会通知起草单位成立了起草工作组，南通市产品质量监督检验所立即成立了标

准工作组。工作组对国内外钢丝绳产品、技术发展水平与使用现状进行了全面的

调研，同时广泛搜集相关标准和国内外技术资料，进行了大量的分析研究和资料

查证工作，结合钢丝绳使用单位的实际使用和南通市产品质量监督检验所多年来

的检验检测经验，进行全面总结和归纳，在此基础上编制了《钢丝绳实际残余

应力测定方法》标准草案初稿。经工作组及有关专家研讨后，对标准草案初稿进

行了认真的修改，于2023年07月形成了标准征求意见稿及其编制说明等相关附

件，报全国钢标委钢丝绳分委员会秘书处。

计划2023年xx月完成标准征集意见的修改、形成第一次审定稿，2024年

xx月完成第一次审定会。

二、标准编制原则

本文件在制定过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、

及时修订、不断完善”的原则，注重标准制定与技术创新、试验验证、产业推进

与应用相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一

性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本文件的制定工作。

本文件在起草过程中主要按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分:标准

的结构和编写规则》的要求编写。在确定本文件主要技术指标时，综合考虑制造

企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术

上的先进性和合理性。

三、主要内容说明

3.1范围

《钢丝绳残余应力测定方法》规定了2种钢丝绳残余应力测定方法：分别

为直接折角法、微区X射线应力检测法，本文件中测定残余应力的方法只涉及物

理法和X射线应力检测法。

直接折角法适用于盘卷上直径≤10mm的钢丝绳，主要检测的是宏观残余应

力。

微区X射线应力检测法不限钢丝绳直径，不限工况均可采用；

微区X射线应力检测法是一种破环性试验，主要检测钢丝绳钢丝内部的微观

残余应力，需要拆解钢丝；

2种方法由钢丝绳直径范围以及供需双方协商选定，订货合同中未注明者，

由供方自行决定。

3.2规范性引用文件

本文件引用的方法标准共计6个。

3.3术语和定义

本文件主要给出了宏观残余应力、微观残余应力以及GB/T7704中的术语和

定义。

3.4直接折角法

3.4.1试验过程

从盘卷上沿切线方向拉出钢丝绳，钢丝绳不可旋转去除1m后，在拉出端折

出一个长约50mm的直角，紧握住折角，保证不会有任何转动，将钢丝绳拉出

6m，慢慢地松开折角，让钢丝绳自由释放转动，观察折角旋转角度，以角度确

认残余应力，90°为0.25，180°为0.5，270°为0.75，360°为1，顺时针为正，逆

时针为负，读数并记录试样转动的方向和圈数。检测图示按GB/T33159进行。

3.5微区X射线应力检测法

3.5.1微区X射线应力检测法原理

其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ，即一定波长的X射线照射到晶

体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测

量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计

算出材料的残余应力。

常规金属材料属于多晶体，具有一定的晶面间距。如果材料受应力作用，晶面

间距d就要发生正比于应力大小的变化。假设一束波长为λ的单色平行光——X

射线以入射角θ入射到某特定晶面（hkl）时，如图1所示，当能满足Bragg公式

（2dsinθ=nλ）时，X射线会因干涉加强在反射方向获得衍射峰，根据此原理可求

得d值。同一射线不同角度入射物体表面，测出不同方向d值，连续增大为拉应

力，连续减小为压应力。

图1单色光平面波从相临晶体平面反射而产生衍射

1929年,俄国学者AKCEHOB提出了X射线法测定残余应力的基本原理,其基本思想是:

在特定的应力条件下,材料会产生晶格应变与宏观应变,二者是一致的。晶格应变可由Ⅹ射线

衍射技术和布拉格定律测量得到的,而宏观应变则由弹性理论计算得到,从而可以由测量得到

的晶格应变推断出宏观应力。基于这个思路,德国学者Macherauch研究出sin2Ψ法,X射线衍

射测定残余应力的方法逐渐被接受并被广泛应用。

对Bragg方程微分可得：

式中

：无应力衍射峰的布拉格角；

即

式中为处于某一方位的晶粒的晶格应变。

X射线应力测定时入射线、衍射线和晶面法线关系如图2所示。Ⅹ射线应力测定中最

直接的测试参量为2θ角,Ψ为晶面法线和试样表面法线之间的夹角,2θ与η之间互补,入射角

Ψo为入射线与试样表面法线之间的夹角。

图2入射线、衍射线和晶面法线间的关系

各向同性的材料主应力与主应变的方向一致的,图3为描述其应力和应变的坐标系。确

定测量角方向时,待测应力为σϕ,该方向的分应变εϕ，Ψ与主应变的关系为:

利用广义胡克定律，可得εϕ，Ψ与主应力之间的关系为：

图3坐标关系

由于射线可穿透的深度很小,被照射的表面层的应力状态可视为平由应力状态,因此

22

σ3可近似地看作零,且(σ1cosϕ+σ2sinϕ)=σϕ(此时Ψ=90°),故

上式就是X射线测定应力的基本方程,即当明确了衍射线角位移(dθ)ϕ，Ψ,则待测应力

σϕ可求。其中E为弹性模量，υ为泊松比。

Ⅹ射线衍射法的测量过程并不会对被测材料的整体性产生破坏,适用于测定表面层残

余应力,要求被测构件的表面质量较高,即测点位置应保持平整光滑,且20μm深度内无附加

应力。另外,此方法受显微组织影响较大,测试设备昂贵,较其他方法而言操作方便性较差.

3.5.2实际残余应力的计算

依照国家标准GB/T7704对钢丝绳绳股中钢丝进行残余应力检测。

a)当检测钢丝绳内全部钢丝时，是将每根钢丝的实测残余应力相加。

b)钢丝绳的种类繁多，分不同用途、不同结构，具体结构按照GB/T8706所

述，当检测钢丝绳内部分钢丝时，部分钢丝的选择原则为，根据钢丝绳的结构，

选择同结构同直径的钢丝每类至少6根或者取多股同类型的一股同直径钢丝进

行残余应力检测，求取平均值作为同结构同直径钢丝的计算残余应力值。钢丝绳

残余应力总和按式（1）计算。

……………（1）

式中：

σ——钢丝绳残余应力总和，单位为MPa；

——同结构、同直径1股中钢丝的实测残余应力与不参加

试验钢丝的计算残余应力之和，单位为MPa；

——各股中心丝的实测残余应力或计算残余应力之和，单

位为MPa；

——钢丝绳中同结构、同直径的股数。

3.6主要试验(或验证)情况

3.6.1直接折角法

针对直接折角法分别选取直径从小到大的钢丝绳，钢丝绳的类型有不锈钢丝

绳、镀锌钢丝绳、普通钢丝绳、重要用途钢丝绳等对其进行残余应力的检测，如

图4所示，具体数值如表1所示：

图4折角法示意图

表1中数据就是根据直接折角法检测的残余应力的数值，直接折角法检测的

是宏观残余应力。宏观残余应力能够导致钢丝绳变形，钢丝错位、绳股冒出、绳

股错位等，钢丝绳一旦出现此种现象，就只能报废处理。如果，事先检测出来，

宏观残余应力是可以释放掉一部分，在安装时，我们沿着残余应力释放方向加以

安装，切忌逆着残余应力安装，这样势必不会出现钢丝绳扭曲变形现象。数值的

绝对值越大，表明残余应力越大。表1也列出部分钢丝绳直径大于10mm的残余

应力的数值。仅作参考。

表1直接折角法检测

序号直径mm数值序号直径mm数值

16+2.001110-1.00

26-2.501212-0.25

36+0.50138+1.50

41.5+3.25148+1.25

51.6+3.00156+2.00

68+1.50165.5+1.75

78-1.001710-0.50

88-1.501810+0.75

99.5+0.50198+1.25

1011-0.75209.5-1.00

3.6.2微区X射线应力检测法

钢丝绳结构是分层的，如图5所示：钢丝绳的是由许多相同的股或者不同的

绳股组成的，在检测过程中，一种方法是检测所有的钢丝的残余应力，然后相

加；第二种方法是相同股的检测部分钢丝，部分钢丝的选择原则为，根据钢丝

绳的结构，选择同结构同直径的钢丝每类至少6根或者取多股同类型的一股同

直径钢丝进行残余应力检测，求取平均值作为同结构同直径钢丝的计算残余应

力值。钢丝绳残余应力总和按式（1）计算。

……………（1）

式中：

σ——钢丝绳残余应力总和，单位为MPa；

——同结构、同直径1股中钢丝的实测残余应力与不参加试验钢丝的

计算残余应力之和，单位为MPa；

——各股中心丝的实测残余应力或计算残余应力之和，单位为MPa；

——钢丝绳中同结构、同直径的股数。

钢丝绳股中不同直径钢丝示意图（WS结构）

图5钢丝绳结构分布示意图

分别选择7根钢丝绳，类型有不锈钢丝绳、镀锌钢丝绳（试验时分褪镀、未

褪镀）、普通钢丝绳、重要用途钢丝绳、压实股钢丝绳以及钢绞线等，本次选择

的原则是，每个钢丝绳每种类型的绳股，均选择6根钢丝进行检测，下列仅列出

部分数据。

表2微区X射线应力测试仪测试数据

序数据1MPa数据2MPa数据3MPa放置时

号间

1褪镀钢-100.94±19.94-94.03±20.38-95.28±20.862年

丝

2未褪镀-50.86±16.98-49.03±14.86-44.88±16.332年

钢丝

3碳素钢-13.66±12.67-16.62±12.50-16.44±12.321.5年

丝

4碳素钢35.35±18.3838.69±17.52±39.53±17.391年

丝

5碳素钢+180.36±15.38+176.69±16.52+172.85±19.326个月

丝

6碳素钢+254.97±50.11+241±45.46+212±49.03刚生产5

丝天

7不锈钢+78.96±21.11+76.35±18.65+82.46±21.022个月

钢丝

下面残余应力仪出示的部分原始记录：

STRESSREPORT

Filename:19JUL23_0002.mt

Gainfile:D:\XRDWin

Data\IN\Cr-30kv2s.Gain

Useradmin

Date:July,19,2023,08:10:49

DescriptionFE-FC-8-1

Job#:CR

Part#:

Stress=-100.9±19.9MPa

ShearStress=63.9±9.1Mpa

IntensityRatio:1.551.78

AveragePeakBreadth:3.48±0.073.38±0.06

AveragePeakFWHM:2.806±0.062.869±0.04

AveragePeakFWHMfit:2.945±0.063.004±0.06

Detector:1

BetaPsiSin^2psiDspacing2ThetaStrain*E3FWHMFWHMBreadthIntensity

Anglesfit:

25.0013.000.05061.171094156.000.0022.8563.0013.515764.01

17.435.430.00901.171202155.950.0942.8613.0103.507291.42

12.00-0.000.00001.171108155.990.0152.8632.9983.508393.56

0.00-12.000.04321.170841156.12-0.2142.7292.8953.365960.02

-12.00-24.000.16541.170540156.26-0.4702.7532.8853.465492.75

-17.43-29.430.24151.170589156.23-0.4282.7702.9183.445678.04

-25.00-37.000.36221.170392156.32-0.5972.8062.9103.585420.92

PARAMETERS

3.7钢丝内部残余应力的分布情况

该部分参考文献：[1]孙文,孙杰,朱维军等.钢丝绳残余应力检测及分析[J].

金属制品,2019,45(01):59-61.

3.7.1试验要求

研究轴向残余应力在钢丝内部的分布情况,分别在同结构同直径钢丝股中选

取至少1根钢丝进行钢丝内部轴向残余应力的分布情况。分别进行钢丝的表面和

深度为20、40、60、80μm的轴向残余应力检测,检测深度情况如图A.1所示。

图A.1不同深度测量点分布示意图

3.7.2仪器

微区X射线应力仪

电解抛光仪

3.7.3试验步骤

借助电解抛光机及饱和NaCl电解液,采用电化学方法将钢丝腐蚀相应的深度;

并采用数显千分尺确认达到相应的腐蚀深度后,利用微区X射线应力仪测量不同

深度的轴向残余应力。

选择6根钢丝经过层层腐蚀后，检测其X射线残余应力，具体分布见表3所

示。

表3腐蚀后的残余应力数值

序号直径mm表面

20µm40µm60µm80µm

钢丝1#0.5110Mpa90Mpa50Mpa-45Mpa-109Mpa

钢丝2#0.6120Mpa105Mpa49Mpa-50Mpa-120Mpa

钢丝3#0.7122Mpa96Mpa60Mpa-43Mpa-116Mpa

钢丝4#0.6125Mpa109Mpa55Mpa-50Mpa-109Mpa

钢丝5#0.6123Mpa110Mpa59Mpa-46Mpa-120Mpa

钢丝6#0.7130Mpa110Mpa54Mpa-44Mpa-123Mpa

钢丝外层为拉应力，内部为压应力。