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第 6 卷- 2018 年 3 月刊
通过X射线衍射进行喷丸质量控制



Xstress Mini 测量抛喷丸强化弹簧的残余应力


因抛喷丸强化产生的残余应力图示


抛喷丸强化(左)和机械加工面(右)之间的可见差异


加速电子从目标材料原子中去除内壳层电子。当此处的孔隙被填充后,将发射特定于目标材料的标识 X 射线。


描述晶格面 X 射线衍射的布拉格定律图示


均匀应变使衍射峰发生位移。非均匀应变可以改变峰形和位置。


通过衍射峰位置计算应变,由衍射数据确定残余应力


衍射峰的宽度受微应力和晶体结构瑕疵(即位错、塑性变形等)的影响


典型的抛喷丸强化应力深度分布


钛合金髋关节在抛喷丸强化处理之前和之后的残余应力深度分布

Stresstech Oy是一家芬兰公司,在德国、美国和印度设有子公司,30多年来,公司一直致力于为汽车、航空航天、机械和能源等行业以及大学和研究机构提供过程控制和质量检验方面的非破坏性测试(NDT)解决方案。Stresstech的产品线涵盖手持装置和全自动检测系统,这些产品利用X射线衍射、巴克豪森噪声分析或ESPI钻孔(电子散斑干涉术)技术测量残余应力、残余奥氏体含量、磨削烧伤等参数。

Stresstech的最新产品Xstress Mini是一款小巧轻便的X射线衍射仪,可用于快速检测各种抛喷丸强化部件。

抛喷丸强化

抛喷丸强化是一种采用叫做弹丸的小球对部件表面进行喷丸处理的冷加工工艺。此过程使表面产生塑性变形,缓解表面拉伸应力,并产生有益的残余压应力。

在部件表面产生残余压应力可提高材料的抗疲劳断裂和应力腐蚀开裂(SCC)的能力,从而延长部件的使用寿命。抛喷丸强化广泛应用于任何需要高循环疲劳寿命和强度的部件,如弹簧、齿轮、凸轮轴、曲轴和涡轮叶片等。

抛喷丸强化工艺的质量控制可以通过测量残余应力实现。用于测量抛喷丸强化工件残余应力的常用技术是X射线衍射。

X射线衍射

X射线是波长比可见光短的电磁辐射波。它们可以探测到结晶材料表面以下1到10微米深度的原子间距。假设一种平面应力状态,同时使用晶格间距作为极限标距长度,就可以测量绝对应力值,且无需事先以无应力样品进行校准。

由钨丝(阴极)和靶材料(阳极)组成的X射线管通常作为X射线源使用。在阴极和阳极之间施加的高加速电压(25kV到60kV)将触发电子束的产生。当这种电子束与靶材料碰撞时,它会从原子的下壳层带走一个电子,同时留下一个孔。一个电压更高的壳层电子将会落入该孔中,产生特定于阳极靶材料的典型Kα和Kβ X射线,以及背景韧致辐射 — X射线。X射线衍射方法中采用这种接近单色的特征射线。

通过X射线衍射测定残余应力

布拉格定律描述了来自晶格面的X射线衍射。在应力材料中,X射线(λ)的波长是已知的,原子面之间的距离(d)是未知的,而且衍射则需要通过角度(θ)观察。应力导致d发生微小变化,并改变衍射角度。布拉格定律假定入射波和衍射波同相并经历相长干涉。

通过衍射峰位置计算应变,由衍射数据确定残余应力。任何应力,包括外加应力或残余应力,都会产生与晶格间距变化相对应的应变。在实践中,首先测量无应力的金属粉末,以便为特定材料的检测器设置角度盘。然后通过测量具有多个倾斜角的晶格距离来计算应力,并将结果绘制成d与sin2χ的曲线图,其中d是测得的晶格间距,χ是倾斜角。

可通过该d与sin2χ曲线图的斜率求出残余应力。测量的持续时间通常很短,从几秒到几分钟不等。照射面积大小会影响测量时间;而使用较大的准直器会减少测量所需的时间。

不同的晶格参数、沉淀、间隙占用和微应力等材料参数会影响应力的计算。在晶粒边界存在无序晶体、沉淀和晶格缺陷的多晶结构中,衍射线变宽并形成类高斯峰。

按半极大处全宽度(FWHM)测量峰宽,用来说明微应力和硬度与塑性变形;通常情况下,值将随着硬度的增加而增加。

通过X射线衍射测量残余应力

X射线衍射(XRD)是一种完善且精确的方法,用于研究晶体材料表面层残余应力水平。用于残余应力测量的X射线衍射相对而言具有成本效益,而且广泛适用于原位测试和实验室测试所使用的小型、便携式、固定式甚至是机器人式衍射仪。当满足以下条件时,XRD测量可用于应力分析:

• 材料必须具有晶体结构
• 材料应该具有小晶粒
• 需要了解材料的弹性常数

钢和铝的非破坏性测量深度为表面以下几到几十微米处。然而,仅仅通过表面测量很难完整地描述残余应力。抛喷丸强化产生一种随深度变化的残余应力状态。为了完整地描绘所产生的残余应力的深度分布,使用电解抛光来抛光待测量的新表面。通过使用电解抛光和连续测量,分析深度可以达到1mm。通过研磨和电解抛光相结合,分析深度可以扩大到5mm。

使用Xstress Mini测量残余应力

Xstress Mini是Stresstech产品线中最小巧、重量最轻的X射线衍射分析仪。这种独立的装置易于携带,并且可以在生产线或现场的各种应用中快速测量残余应力。

Xstress Mini具有完整X射线衍射仪的所有功能,同时采用空气冷却,而且几乎不需要维护。Stresstech的XTronic软件可以安装在笔记本电脑上,以便快速方便地进行数据采集并提供测量结果。

配备Cr X射线管的Xstress Mini通过暴露来自两个准直器的X射线并使用两个位置灵敏的NMOS线性图像传感器检测衍射的X射线来测量χ模式下抛喷丸强化的残余应力。由于装置的优化几何结构和单次照射操作,数据采集时间可以达到不足10秒。用于设置正确高度的方向传感器和集成激光测距仪使装置的设置更加快速方便,从开箱到进行残余应力数据测量,所需的时间不到5分钟。

因为X射线管的功率较低,所以Xstress Mini可以安全使用。如果在测量过程中检测到移动或与被测物体的距离发生变化,装置会自动关机。该装置还可以放在安全防护罩中,这种安全防护罩配备有安全联锁装置和信号灯塔。

抛喷丸强化验证的应用实例

示例1:抛喷丸强化后的弹簧残余应力测量

弹簧采用可进行机械能储存的高屈服强度钢制成。它们利用这种能量使产品在承担负载之后恢复到原状。弹簧有多种类型,如用于汽车和卡车的弹簧片、圈状弹簧和扭转弹簧。制造弹簧时,抛喷丸强化是所使用的典型表面处理方法,用于提高疲劳强度或耐用性。需要测量抛喷丸强化所产生的残余压应力,最好是在生产现场的喷丸机旁边或在内嵌的喷丸机上进行测量。阿尔门强度测量通常用于分析抛喷丸强化过程;然而,这种测量不会得出任何残余应力值。在这些情况下,则使用X射线衍射来测量残余应力值。Xstress Mini可以提供抛喷丸强化工艺验证的残余应力和半极大处全宽度(FWHM)分布。

典型的抛喷丸强化应力深度分布如下。在这个示例中,在部件的次表层上产生了超过800MPa的残余压应力。通过X射线衍射确认应力方向和数值沿着深度的变化。

示例2:抛喷丸强化后的钛合金髋关节残余应力测量

在髋关节置换手术过程中,使用假体植入物替代髋关节或髋臼关节以支撑受损的原始骨结构。钛合金髋关节的腐蚀疲劳强度可通过抛喷丸强化工艺提高,该工艺还包括通过化学清洗除去影响人体接受植入物的污染物。

该图显示了钛合金髋关节在抛喷丸强化处理之前和之后的残余应力深度分布。该工艺通过在表面层和次表层产生更高的残余压应力来提高髋关节的耐用性。后处理工艺图表明已实现这一目标。

测量服务

作为提供残余应力解决方案的市场领导者,Stresstech公司还在芬兰、美国和德国设有经认可的实验室(ISO/IEC 17025:2005认可的测量实验室(FINAS T294)),这些实验室利用X射线衍射进行残余应力和残余奥氏体测量。

Xstress Mini以及其他Xstress系统可用于现场残余应力测量。为了您的方便,Stresstech的专家可以在您所在的地点或我们三个测量实验室的任意一处为您进行任何残余应力测量。



Stresstech Oy
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电话:+358.14.333 000
邮箱:info@stresstech.com
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