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科学新讯


第 7 卷- 2019 年 6 月刊
不同X射线衍射方法测量水下激光喷丸残余应力的对比研究



图1:水下激光喷丸系统


图2:激光空化和烧蚀形态


图3:PVDF传感器信号


图4:激光喷丸和应力的方向


表1:SKD61残余应力


5(a) NP


5(b) LP无铝片


5(c) LP有铝片


图6:sin2Ψ-2θ


图7:cosα-εα1


图8:SKD61极图


图9:sin2ψ-2θ


表2:SUS316L残余应力

为了提高疲劳强度和疲劳寿命,我们可以使用很多机械的表面处理方法,例如常规抛喷丸强化、激光喷丸强化、水射流强化、空化强化等。提高疲劳性能的一个很重要因素是残余压应力,此外,焊接或机加引起的残余拉应力会导致应力腐蚀开裂。因此,残余应力的评估就显得很重要。
残余应力评估常用的一种手段是X射线衍射法(XRD),包括sin2Ψ、cosα和2D法等。每种方法都有各自的理论,同时也有不同的优缺点。有研究表明,在测量SM490钢的残余应力时,cosα和sin2Ψ的结果相近,但测SUS 316L钢时结果不同。结论是,SUS 316L钢的不同结果是由于不同的X射线管导致的(译者注:用Cr靶X射线管测奥氏体不锈钢时,采集的是311晶面上比较弱的Kβ特征峰信息(此晶面在Cr辐射下无Kα峰信号),因为cosα法仪器功率通常比较低(如40瓦),信号质量差应该是测量结果不同的主要原因。有鉴于此,欧盟和中国X射线衍射残余应力标准都注明用Mn靶X射线管采集奥氏体不锈钢311晶面上的较强的Kα特征峰信息)。在采用XRD方法的时候,大晶粒组织、织构材料和深度梯度的应力比较难测。进行激光喷丸和空化喷丸时,会随机产生一些塑性变形。因此,由此引入的残余压应力会相反地产生一些等轴应力。另一方面,激光喷丸将系统性的引入塑性变形,这有可能产生织构和各向异性的应力,从而进一步提高残余应力测量的难度。
论文中,为了对比残余应力评估的不同XRD方法,样品采用水下激光喷丸来进行处理,评估手段包括sin2Ψ、cosα和2D法。

水下激光喷丸

图1显示的是水下激光喷丸系统。据报道,气泡溃灭在材料上产生的冲击比激光烧蚀还要更大。论文中,激光烧蚀后的气泡被称为激光空化,因为气泡溃灭后的冲击与空化气泡相同。传统水下激光喷丸采用的是Nd:YAG二次谐波激光,例如532nm的波长,以避免水介质所带来的衰减。然而,由于热集中的缘故,本实验在研究气泡动力学时采用的是一次谐波,例如1064nm的波长。我们在最佳的喷射距离上才能使用到一次谐波,因为40%的输出功率已经损失掉,用以获得Nd:YAG二次谐波激光。请注意,我们已经证明,采用Nd:YAG二次谐波的水下激光喷丸可以在合金工具钢上引入残余压应力。最大能量、脉冲宽度和频率分别是0.35J、6ns和10Hz。
图2显示的是通过高速摄影机观察到的激光空化和烧蚀形态,图3显示的是和高速摄影机同步记录到的PVDF传感器上的输出信号。激光烧蚀后,会产生气泡并扩展、收缩,在1ms的时候溃灭,然后回弹。如图2和3所示,波长为532nm,冲击同样由激光烧蚀在0ms的时候产生,激光空化也是在1ms的时候溃灭。请注意,激光空化产生的冲击比激光烧蚀大1.3倍。

X射线衍射(XRD)残余应力评估

本次实验中,我们使用JIS SKD61和SUS316L合金工具钢进行残余应力的测试。图4显示的是激光喷丸和应力的方向。对于JIS SKD61,其在1073K温度下加热80分钟,1223K下10分钟,1298K下1.5小时,然后用气体淬火,并在823K下回火2小时,793K下2小时。SKD61的表面经过抛光,而针对SUS316L,回火板的表面没有处理。

本次实验中,残余应力用2D、cosα和sin2Ψ方法进行计算。所有方法中,XRD都是用Cr靶的Kα射线。对于2D和sin2Ψ法,也是采用同样XRD的2D探测器。而SUS316L的2θ衍射角,α-Fe(211)晶面是156度,γ-Fe(200)晶面128度。
图5显示的是电化学腐蚀后,用2D、cosα和sin2Ψ方法计算的SKD61没有喷丸、激光喷丸和有铝片的激光喷丸情况下,残余应力沿深度的变化曲线。
如图5(a)所示,抛光时引入了残余压应力,因此,激光喷丸前,我们通过电解抛光去除了大约100μm厚的表面层。激光喷丸时,样品以4脉冲/mm2处理了2次,也就是说,总的脉冲强度是8脉冲/mm2。作为参考,在212μm深度样品的残余应力如表1所示。

σRx值差异很大。在2D法中,σRx和σRy’接近。而sin2Ψ法,σRx比σRy’稍大。对于cosα,σRx比σRy’大很多。

如5(b)所示,没有铝片的激光喷丸情况下,近表面的是残余拉应力,但在大于30μm的地方,存在压应力。在150-200μm的地方,与未喷丸的样品相比,其压应力值大约为400-500MPa。而在有铝片的激光喷丸情况下,在表面和深度区域都是压应力。使用的铝片是80μm的黑铝。喷丸带来的残余压应力大约是300MPa,即使脉冲强度是8脉冲/mm2,单个脉冲的能量只有0.35J。同时,喷丸后样品的应力用不同XRD计算的变化趋势和未喷丸的很类似。
为了研究不同计算方法得到的残余应力为何有差异,图6显示了SKD61有铝片的激光喷丸和8脉冲/mm2的情况下,在400μm的深度上,sin2Ψ和2θ的关系。图7显示了没有喷丸的SKD61在380μm的深度上,cosα-εα1的关系。如图6所示,sin2Ψ和σRy 2θ接近线性关系,而σRx却呈波形。这就是用sin2Ψ方法计算得到的残余压应力σRx小于2D法的原因。由于+Ψ和Ψ的趋势接近,这不可能是Ψ引起的。
评估sin2Ψ和2θ的斜率关系。因此,当sin2Ψ和2θ不为线性关系的时候,残余应力值有可能是不正确的。请注意,我们有必要通过测量+Ψ和-Ψ的方向来确认sin2Ψ和2θ的关系。如图7所示,σRy的cosα和εα1关系接近线性,而σRx的却是曲线。这就是用cosα法计算得到的σRx残余应力为拉应力而sin2Ψ和2D却是压应力的原因。采用cosα法的时候,我们是通过cosα和εα1的斜率来计算残余应力的。因此,如果cosα和εα1不是线性的,得到的残余应力就值得存疑了。也就是说,采用cosα法时需要对cosα和εα1的关系进行确认。
如图5(a)-(c)所示,在150-200μm的深度范围上,不同XRD计算方法之间的差异很明显。在150-200μm,每个得到的值却很稳定。这也就是说,其中的差异由计算方法决定,而不受深度值影响。请注意,每种方法使用的X射线管都相同,为Cr靶。
为了研究sin2Ψ-2θ和cosα-εα1的波形图,图8上显示了没有喷丸的SKD61在380μm的极图。如图所示,测量的材料是不均匀的,也就是说,材料存在织构。这也就是不同方法得到的残余应力存在差异的原因所在。为了对比激光喷丸后,不同方法评估残余应力之间的差异,表2显示了2D和sin2Ψ法得到的值。样品JIS SKD61在没有铝片的情况下进行了100脉冲/mm2的处理。激光喷丸后,通过电解抛光去除了39μm的表层。如表2所示,sin2Ψ法计算得到的σRx和σRy残余压应力都比2D法的要小100MPa。换句话说,2D法得到的σRx和σRy残余压应力比sin2Ψ的分别大122%和140%。

结论

为了比较残余应力评估的不同XRD方法,我们采用水下激光喷丸对合金工具钢进行处理,并用sin2Ψ、cosα和2D法对残余应力进行评估。得到的结果值存在差异,特别是在材料存在织构的情况下。激光喷丸时,可能会由于系统性的塑性变形而导致产生织构。当采用sin2Ψ和cosα计算方法的时候,需要确认sin2Ψ和2θ以及cosα和εα1的关系是不是线性的。
(译者注:对作者本文中发现的问题,欧盟、美国和中国的X射线衍射残余应力测量标准都有说明,即在样品有粗晶、织构、应力梯度较大以及表面曲率半径较小的情况下,垂直于样品表面的剪切应力τ13和τ23不等于零,应变(应力)与sin2Ψ或cosα呈非线性关系,此时sin2Ψ法需要采集多个Ψ角度(9个以上)进行椭圆拟合,cosα法需要采集多个倾角(、和数据组)来计算应力,前者功能已经在大多数sin2Ψ法X射线应力仪上实现,后者目前只能在部分使用面阵探测器的实验室X射线衍射仪上完成。)

致谢

这篇论文得到了JSPS KAKENHI 17H03138号的部分支持。我们感谢日本东北大学的M.Mikami先生对本实验的帮助。


本论文原文为英文,中文翻译由昌宇应力技术(上海)有限公司林进军完成
译者参考文献:
EN15305-2008 Non-destructive Testing-Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction
ASTM E915-10 Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement
GB/T 7704-2017《X射线应力测定方法》



祖山均 (Dr. Eng.)
日本东北大学精密力学系教授
6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai,980-8579, Japan
邮箱:soyama@mm.mech.tohoku.ac.jp
 
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