di二十三期 喷wanhou零件deX射线残余应力测试方法
发布shi间:2017/11/25 15:28:09

yin 言                                                                                                    

    有yi种观点认wei是无法直jie测试残余应力de。但是可yi测试应bian,然hou把应bian和xiang应de弹性chang数xiang乘jin而得dao残余应力。这种方法wei大jia所熟xi,其zhong包括应bian计fen析de方法。通过jian测yi些物体te性(与应bian成正bi)de细微bianhua来推导出残余应力,li如应bian计zhong细技术司de电阻bianhuayi及x射线测试zhongde晶mian间距debianhua。

    目前guanyu残余应力测试和fen析已经有大量de文献可供参考。本pian文章de目dejiu是能够让读者明白guanyu喷wanhou零件de残余应力是如何测试dexiangguan基本原理。文章zhong也介绍了如何使用x射线de方法fanying出在喷wande区域zhong残余应力随层深debianhua。

晶mian间距debianhua

    X射线测试残余应力de方法必须依靠精确地测试出晶体材料de晶mian间距de细微bianhua。所幸de是,几乎所有de喷wan零件都是晶体结构。guanyu晶体材料,有guanyu晶mian间距和x射线衍射角de直jieguan系shi。gaiguan系shi在zhu名de布拉ge方chengzhong得yi体现,由下shijinxingbiao达:

    nλ=2dhkl.sinθ                         (1)

    其zhongλ是所用x射线de波长,dhkl是被检测晶miande晶mian间距,n是整数,θ是衍射角。

    对yu公shi(1)jin衳ingen,可yi得dao:

    △θ=-△dhkl/ dhkl.tanθ                   (2)

    公shi(2)zhong,△dhkl/ dhklwei应bian,是yi个bian量,△θ是衍射角。△θde值直jie取决yutanθ,所yi使用大de衍射角是必须de。对yu喷wanhoude高强du钢,最大deya缩残余晶ge应bian大约wei-0.01。代入dao公shi(2)zhong,如果衍射角wei75°,那么x射线衍射角debianhuawei+2.138°。如果衍射角wei15°,那么x射线衍射角debianhua仅wei+0.154°。图1采用简图de方shi显示了x射线衍射dezhuangtai。

 

图1.随zhou衍射角θde减xiao,可yi得daoyi个ya应力σ

    如果材料没有残余应力,那么测试出没有发生应biande晶mian间距weidu,如图1(a)所示。如果材料存在yi个残余ya应力σ,那么衍射角会减xiao,测试出de晶mian间距会zeng加weidn。所测试出de晶ge应bianwei(dn-du)/dn,即wei矢量εn,如图1(b)所示。

应力与应biandeguan系

    由yux射线de穿透能力非changdexiao,所yi可yi认wei喷wanhou材料biaomiande应力zhuangtaiwei二维应力。对yuren何存在应力de零件biaomian,都有两个主应力,σ1和σ2,fenbie沿zhou互xiangchui直dex轴和y轴,又都与z轴(受喷零件de法向)chui直。采用应bian计fen析de方法,可yi采用三个应bian计来决定应力de方向,x和y方向上de主应力de合成应力可yi采用Φ来决定其方向,如图2所示。可yi在平xingyu零件biaomiande方向测试三个应bian值。然而采用x射线de方法并不能测试平xingyu零件biaomiande应bian。取而代之可yi依靠在与biaomian成不同角dudeψ方向上测试应bian。上述所示两个应bian方向如图2所示,fenbieweiεz和εΦ,ψ。如随hou介绍na容,已知方向上de残余应力σΦjiu是从这些可测量de应bianzhong得出来de。

 

图2.x射线应bian测试方法zhongde应力与应bianmo型

测试得daode晶ge应bian与残余应力deguan系

    各向同性弹性de经典理论,由下shibiao达:

    εΦ, ψ=(ν+1) .σΦ.sin2ψ/E –ν .( σ1+σ2 )/E            (3)

    其zhong,νwei泊松bi,Ewei弹性mo量。

    公shi(3)weix射线测试应力de基本理论公shi。从数学de观点来看,gai公shiwei最简单de类型,即直线型y=m.x+c。随zhou改bian不同de角duψ,唯yi发生bianhuade参数weiεΦ, ψ。通过公shi(3)可yi简huawei:

    εΦ, ψ=m.sin2ψ+c                               (4)

    其zhongm是直线de斜率,等yuσΦ.(ν+1) /E,cwei直线在晶ge应bian轴de截距,等yu–ν .( σ12 )/E。

    理解公shide最好方法jiu是使用公shi。举li如图3所示。

 

图3.喷wanbiaomian显示出明显de方向性

    yi个圆xingde钢铁圆盘biaomian被均匀地喷wanhou,其biaomianyin入de残余应力wei-500MPa。在这种te殊qingkuang下,残余应力不随角duΦ发生bianhua,所yi可yi得daoσ12Φ=-500MPa。gai钢铁圆盘de弹性chang数已知E=210GPa,ν=0.30。σΦ.(ν+1) /Ede值wei-0.0031,–ν .( σ12 )/E。de值wei+0.00143。把这些值代入dao公shi(4)zhong,可得daoεΦ, ψ=-0.0031.sin2ψ+0.00143。gai公shi可yi绘制成如图4所示。

 

图4.晶ge应bian和sin2ψde线性guan系

    在图4zhongdesi个点对应deψ角dufenbiewei0°,30°,45°和60°。所谓de“sin2ψ方法”包括了yi组这样de点yi糰n菡庑┑悴捎米顇iao二乘法jinxing拟合并jianlixiang应de公shi。所谓de“两点法”jiu是只采用两个点绘制直线,因此gai方法不需要最xiao二乘法来推dao出xiangguande线性guan系。

    x射线测试残余应力de方法zhong,实际需要测试de参数wei衍射峰对应de角duθ。gai角du值可yi采用布拉ge方chengzhuanhuawei晶ge间距dψ。yi个至guan重要de值jiu是材料在无应力zhuangtai下de晶ge间距du。但是,在已经有应力de零件zhong没有办法直jie测试dude值。采用所测试ded-间距de平均值取而代之。gai方法如图5所示,gen据图4zhong晶ge应biandexiangguan数据计suan得dao晶ge间距。对yu没有应力de材料,已知晶ge间距dude值wei1.000000。gen据gai单位值,最大和最xiaode测试间距fenbiewei1.001430和0.999105.这两个值de平均值wei1.0002675。对yudu,使用1.0002675代替1.000000仅会带来si千fen之yide误cha。对已知de因素li如弹性chang数来shuo,gai误cha对yu精确dude影响并不明显。

 

图5.gen据图4de数据,采用晶mian间距de方shijinxingbiao达

    句讁inan飨蛲缘跃淅砺邸眤hong,ling人疑惑deyi个词wein飨蛲浴薄6詙uyi个由已知材料制造出de零件,其体积弹性mo量Edebianhua范围可xiangcha50%yi上。这是因wei单个晶体de弹性chang数是随zhou不同de晶mian方向而发生bianhuade。采用x射线fen析de方法,需要謌ai鱵i个ju体de晶mian方向,即在chui直yuxiang应de晶mian方向上发生fan射。因此,采用x射线de方法测试残余应力shi,需要謌ai髁慵牧显趈u体晶mian方向上de弹性chang数E和泊松biν。

biaomian残余应力de研究

    采用2.00mmde钢球ya头对yi个放在zuo标工作tai上de低碳钢轧banjinxing加工,得dao了yi组有xu排liede类siyu喷wanhoude凹坑,如图6所示。在juxing区域zhong,有xu排lie共包括6lie,每lie有21个凹縴inC扛霭伎觗e直径wei0.67mm并处yu1mm网gedezhong心位置。采用铬靶Kα辐射来测试biaomian残余应力。X射线de光束被限制在试样biaomiande12mm×1.5mmdejuxing区域謝iaoJ匝胖脃u有mm刻dude工作tai上,每隔2.00mmde间距测试biaomian不同区域de应力,测试方向如图7所示。共测试10点,其zhong3点de测试位置如图7所示。gai测试de主要目dejiu是研究yin入de残余应力随距离debianhuaguan系。测试结果yi及测试区域采用重叠显示de方法jinxing展示,如图8所示。从图8zhong可yi看出,低碳钢de原始应力wei50MPade拉应力。喷wanhoude最大ya应力wei175MPa(大约wei极限抗拉强dude40%),gai处defu盖率wei34.7%。biaomian残余ya应力从喷wan区域可yi扩展至十倍凹坑直径长dude未喷wan区域,这要bi预期猜想de距离更长。

    本试验采用de凹坑排lie方shi并非典型,但可yi作wei研究de目de。下yi步将采用“有xu喷wan”de方shi来jinxing更深入de研究。

 

图6.在ruan钢平ban上得daode由0.67mm直径凹坑组成de有xu排liede部fen显示

 

图7.喷wan区域de示意蚸ia约癤射线de移动方shi

 

图8. 在低碳钢biaomian上通过喷wan区域de残余应力与距离debianhuaguan系