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第 2 卷
2014 年
12 月刊
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第 2 卷- 2014 年 12 月刊
表面喷丸强化与X射线衍射残余应力分析



图1:采用不同的预应力喷丸得到不同的残余应力沿层深分布


图2:不同的残余应力沿层深 分布状况对应不同的疲劳极限


图3:X射线衍射现象


图4:2θ-sin2Ψ关系


图5:吸收因子恒等于1强度不随Ψ角的改变而变化


图6:X-350A型X射线应力测定仪主机


图7:聚焦法衍射几何示意图

1. 喷丸强化的机理

  在结构设计合理的前提下,各种零部件的使用寿命主要取决于它的疲劳强度。而零部件疲劳断裂(高周或低周疲劳)的疲劳源绝大多数情况下萌生于表面。因此,金属材料或零件的疲劳断裂抗力(Fatigue fracture resistance)首先取决于表面状态。表面喷丸强化就是目前最为行之有效、应用最为广泛的的表面处理方法。

  喷丸后零件表面状态对强化的作用应该从以下三方面考量:

  第一,宏观的表面纹理和粗糙度(Surface roughness)。表征表面粗糙度的参量Ra值越大,则材料/零件的疲劳断裂抗力越低;在Ra值较大的情况下,其纹理方向性越强、纹理方向与受力方向夹角越大,则材料/零件的疲劳断裂抗力亦越低。

  第二,表面的微观组织结构(Microstructure)。在喷射丸粒的密集撞击作用下,表面的微观组织结构必然发生剧烈变化,使之与材料内部不同。这里包括晶格滑移、点阵畸变、位错增生、位错包的形成,甚至还可能包括相变(例如残余奥氏体因形变而转变为马氏体),还可能引起表层的合金元素贫化(Delution of alloying element)或外部元素的渗入(Penetration of external)等等。在X射线衍射分析中,晶格滑移、点阵畸变、位错增生均会引起衍射峰的宽化和弥散化,表征这一现象的参数是衍射峰半高宽B。研究表明,微观组织结构的变化对材料或零件的疲劳断裂抗力有着显着的影响。

  第三,表面塑性变形(Plastic deformed structure)导致表层晶格发生统计的倾向性弹性应变,从而产生宏观内应力,即残余应力(Residual stress)。在X射线衍射分析中,残余应力会引起衍射峰的偏移。研究表明,在大部分情况下,适当的残余压应力是提高零件疲劳强度的主要因素,而它的大小和沿层深分布状况,对材料或零件的疲劳断裂抗力有决定性的影响。一般说来,最大压应力值越大、最大压应力出现的层深越大、整个压应力的层深越大,则疲劳断裂抗力越大,如图1和图2所示。

  因此,对喷丸强化的材料和零部件进行X射线衍射分析,测定残余应力及其沿层深的分布,同时读取半高宽B的变化,是检验、评价和分析喷丸强化工艺效果不可或缺的手段。

2. X射线残余应力分析的原理与方法

  测量原理基于X射线衍射理论。

  当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时,会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值(即所谓衍射峰),这便是X射线衍射现象(如图3所示)。X射线的波长λ、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律:

2d Sinθ = nλ  (n = 1,2,3…)

  在已知X射线波长λ的条件下,布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。

  X射线应力测定最基本的思路是把与宏观应力σ对应的宏观应变ε看成是相应范围内晶格应变的统计效应;而晶格应变即晶面间距d的相对变化Δd/d,可以根据布拉格定律,通过衍射实验求出。这是俄国学者阿克先诺夫(Аксенов)于1929年提出的。又经历了三四十年,德国学者E.马赫劳赫(E.Macherauch)提出sin2Ψ法,才把这一思路变成成熟的、可操作的测试方法。

  对于晶粒细小、无织构的多晶材料,在一束X射线照射范围里会有许许多多晶粒,它们的结晶学方向是充分紊乱的,所选定的(hkl)晶面处于空间任何方向的机会均等;但是在材料中存在应力σ的情况下,处于不同方向的(hkl)晶面,其晶面间距d会有所变化;如果在不同方向上作衍射分析,按照布拉格定律,所得的衍射角2θ也会随之而变。令衍射晶面法线与试样表面法线之夹角为Ψ,根据弹性理论和布拉格定律,可以推导出:

σ = K·M “公式无法显示”

式中K为应力常数,“公式无法显示”

式中σ为应力值,K为应力常数,2θ为对应于各Ψ角的衍射角测量值,M即2θ对sin2Ψ的变化斜率(如图4所示),由布拉格定律可知它反映的就是晶面间距d随衍射晶面方位角Ψ的变化趋势和急缓程度。在图4中2θ随sin2Ψ增大而增大,说明d随之减小,显然是压应力。

  这样看来,X射线应力测定的实质任务就是选定若干个Ψ角,测定它所对应的衍射角2θ,然后计算2θ对sin2Ψ的斜率M,再乘以应力常数K即应力值σ。

3. X-350A型X射线应力测定仪的功能特点

  X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法,侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性;从另一角度分类又分为固定ψ0法和固定ψ法,后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来,即在侧倾的条件下实施固定ψ法便会产生喜人的新特点──吸收因子恒等于1。这就是说,不论衍射峰是否漫散,它的背底都不会倾斜,峰形基本对称,而且在无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化(如图5所示)。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以行家们一致认为侧倾固定ψ法是最理想的测量方法。

  X-350A型X射线应力测定仪(图6),以θ-θ扫描Ψ测角仪为主要特征,完美地实现侧倾固定Ψ法,获得中华人民共和国专利(专利号:ZL 98244375.7)

其功能特点如下:

(1) X-350A型仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计,使得在2θ平面上的X光管和探测器同时等速相对而行,严格满足固定ψ法的几何要素;另外又使2θ平面与ψ平面相互独立并始终处于相互垂直状态,这样便准确无误地实现了侧倾固定ψ法,同时保持结构简洁灵活轻便的特点。

(2) 2θ扫描范围:120°~170°,测定应力既可利用高衍射角又可利用较低衍射角。这样,除适用于铁素体型钢和铸铁材料之外,还为奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金以及高温合金、硬质合金等材料的应力测定带来方便并可提高测量精度。侧倾固定Ψ法另一特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性。

(3) 该仪器测角仪的衍射几何为聚焦法。如图7所示。在X射线管和X射线探测器以θ-θ方式沿测角仪圆扫描过程中,X光源点、试样上被照射点和探测器接受点,三者随时同处在一个聚焦圆上,当然,随着扫描过程,聚焦圆的大小是逐步变化的。聚焦法的优点是从一个点光源发射出来的X射线,照射到被测工件的一定区域,反射线会准确地聚焦到探测器的窗口,衍射线能量集中,测试精度高。

(4) 测定残余奥氏体含量方便、快捷、准确。该仪器2θ扫描范围120°~170°,故而在一次扫描中可以得到αFe(211)、γFe(220)两个完整的衍射峰,无需另外安装延长扫描范围的附件,亦无须在测试过程中人为移动探测器的位置或X射线入设方向。而且可以针对同一测试点取不同的Φ角、Ψ角进行测定,以便探测织构的影响。必要时,可以做到残奥含量和残余应力同时测定,亦即一次测量得到残奥含量和残余应力两项数据。这些都是该仪器独有的功能,对于各种实体工件具有极其可贵的实用价值。

(5) 支架与测角仪之间装备了针对同一测试点转Φ角的连接机构,因此可测定主应力的大小及其方向,并可测定剪切应力。

(6) 采用十字激光和点状激光相配合构成的激光定位器,使得确定测试点的位置、校准照射距离和垂直度,准确快捷而方便,能够明确指示测点位置和待测应力的方向。

4. 爱斯特公司的理念

  上述X-350A型X射线应力测定仪是爱斯特技术有限公司的主导产品。该公司1993年注册于河北省邯郸市。

  2013年仲春爱斯特迎来了20周年华诞。回顾历程,爱斯特公司成长发展之路既是艰辛的,又是光辉的。归结而言,值得记取和弘扬的,第一是敬业精神,奉献精神。爱斯特人懂得付出真诚,处处替用户着想,让用户满意,有利于用户取得成果,产生效益,这样才能取得用户的信任,进而建立友谊与合作;第二是深厚的专业知识和技术实力。爱斯特人不断提高自己的专业知识水平。向专家请教学问,在测试服务中积累经验,在与客户交往中汲取相关知识,在此基础上不断改进仪器产品的设计,提升仪器功能水平,并将积累的学识和经验用于解决其它用户所遇到的问题,客观上在专家与客户之间、客户与客户之间起到某种桥梁作用。

  爱斯特的理念是,不仅为用户提供测试手段,还要尽可能地为客户提供解决问题的方案;这样才有持续发展的后劲。



邯郸市爱斯特应力技术有限公司
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