王曉宇１,任麗萍２,徐星泓２,吉 靜２,吳益文１,２

(１．上海大學 材料科學與工程學院,上海 ２０００７２;２．上海出入境檢驗檢疫局,上海 ２００１３５)

摘 要:采用 X射線衍射法測定了圓棒表面的殘余應力,討論了檢測方法、檢測設備狀態、試樣狀態等因素對檢測結果的影響.結果表明:在表面殘余應力測定過程中,應在檢測設備穩定工作的前提下,根據材料類型和晶體結構來選擇檢測參數,考慮試樣的割取與保護對檢測結果的影響;對于組織狀態復雜的材料,可適當增加擺動角來提高檢測精度.

關鍵詞:圓棒;表面殘余應力;X射線衍射;影響因素

中圖分類號:TG１１５．２２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０４７０Ｇ０４

殘余應力是一種彈性應力,局部不均勻的塑性變形是產生殘余應力較普遍的原因[１].機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、耐應力腐蝕能力、尺寸穩定性和使用壽命等均有著十分重要的影響[２Ｇ３].適當、分布合理的殘余應力可以提高零件和構件的疲勞強度和耐應力腐蝕能力,從而延長其使用壽命.

目前,比較成熟且普遍應用的殘余應力測試方法大致可以分為機械破壞測試法和無損測試法兩大類.

其中機械破壞測試法有盲孔法、切條法、逐層銑削法等;無損測試法有 X 射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法、電子散斑干涉法、金屬磁記憶法等.

X射線衍射法是一種無損的測試方法,可用于表面殘余應力的測試,該技術已經較為成熟,并且具有較高的測試精度.X射線衍射法能夠分別測算軸向、切向和徑向的殘余應力,可以用來測試彎曲面及球面試樣的殘余應力,在測試薄膜應力方面的應用也很廣泛[４].

筆者采用愛斯特應力技術公司生產的 XＧ３５０A型X射線應力測定儀,對圓棒表面的殘余應力進行測定,討論了試驗參的選擇、檢測設備的狀態、試樣狀態等因素對測定結果的影響,以供相關人員參考.

１ X射線衍射法測定殘余應力的技術要點目前我國執行的 X 射線衍射法測定殘余應力的國家標準為 GB/T７７０４－２００８«無損檢測 X 射線應力測定方法»[５],該標準目前正在修訂中,對現有標準的精準理解是做好檢測工作的第一步,主要體現在以下幾個方面.

１．１ 參數的選擇

首先,根據材料的類型選取合適的靶材,再根據靶材選擇 Kβ 濾波片,而材料類型、衍射晶面和應力常數這些參數也應根據待測材料來具體確定,在選擇輻射晶面時,應當考慮晶面的多重性因數,多重性因數較高則可以在一定程度上避免或減弱織構的影響.表１ 是 一 些 常 用 材 料 在 測 定 殘 余 應 力 時 的X射線衍射條件[６].

該次試驗的檢測設備是采用掃描式技術來測定 材料表面的殘余應力,因此掃描步距的選擇以能夠 得到比較平滑的衍射曲線為目標,一般最小步距應 不大于０．１°.對探測器在規定時間內接收到的X射 線光子數目進行計數,計數越高則隨機誤差越小. 待測面的中心應準確置于儀器指示的測試點 中心、X射線光斑中心、測角儀回轉中心三者重合 的位置. １．２ 常用方法 X射線衍射法測定殘余應力的常用方法有同傾 法和側傾法兩種[５].同傾法是測定方向平面和掃描 平面相重合的應力測定方法,又可分為同傾固定ψ０法(也稱ω 法)、同傾回擺法、同傾固定ψ 法.側傾法(也稱χ 法)是測定方向平面和２θ 掃描平面相互垂直、衍射晶面法線位于測定方向平面內的測定方法,

又可分為側傾固定ψ 法和側傾固定ψ 回擺法[８].側傾法與同傾法相比具有一些優點:①在某些空間受到限制的情況下,采用側傾法比較有利;②吸收因子與ψ 角 無 關,不 必 進 行 衍 射 強 度 的 吸 收 校正;③對 于 某 些 材 料,如 果 在 較 高 的 角 度 范 圍 內(１４０°~１７０°)無峰或峰性差,則可以利用角度較低的衍射峰[７].固定ψ 法因其原理準確、實用效果好而優于固定ψ０ 法.在側傾的條件下實施固定ψ 法會產生優越的新特點,即吸收因子恒等于１.也就是說,不論衍射峰是否漫散,它的背底都不會傾斜,峰形基本對稱,而且在無織構的情況下峰形及強度不隨ψ 角的改變而變化.在有輕微織構或晶粒稍微粗大的情況下,固定ψ 法也可顯示其優勢.

１．３ 數據處理

根據測試 原 理,用 波 長 為λ 的 X 射 線 先 后 數次以不同的 入 射 角ψ 照 射 到 試 樣 上,測 出 相 應 的衍射角２θ,求出２θ對sin２ψ 的斜率 M,便可計算出內應力σΦ .在實際應用中,通常采用的方法是sin２ψ 法和０°~４５°法,０°~４５°法是sin２ψ 法的簡化方法.在試驗中,可能會由于測試系統或試樣本身的緣故,使得２θ與sin２ψ 的線性關系不理想,應對試樣進行多次多點測試,從而避免出現較大的隨機誤差,因此多采用sin２ψ 法.定峰是數據處理中很重要的環節,定峰前會進行背底處理、強度因子校正等,定峰之后,軟件也會作出應力值計算和誤差分析.

常用的定峰方法有半高寬法、拋物線法、交相關法等[８].半高寬法是對某一個衍射峰去除衍射曲線的背底后,取衍射峰凈高度的１/２處連線的中點所對應的２θ作為衍射峰的位置.拋物線法是把凈衍射峰頂部(峰值強度８０％以上部分)的點,用最小二乘法,以拋物線頂點的橫坐標作為峰位進行定峰.交相關法是通過兩個不同的入射角測定的衍射峰曲

線構造交相關函數曲線,并以交相關曲線最大值點的橫坐標作為兩個衍射峰的峰位差 Δ２θ.交相關法利用全部原始測試數據進行計算,定峰精度較高,該試驗中采用交相關法進行定峰.不過交相關法要求進行交相關處理的兩個衍射峰形態近似,如果被測材料由于織構、粗晶等原因導致峰形發生不規則畸變,或者材料本身由多相組成,所選用的衍射峰附近還有其他相的峰與之疊加,則交相關法顯然不合適.

２ X射線衍射法測定殘余應力的設備與參數

２．１ 設備及其穩定性

殘余應力檢測設備的穩定性對檢測結果有較大的影響.測試前,首先應當檢查儀器的各個零件是否處在正確的位置上,選用適當直徑的準直管,根據試驗材料參考表１,選取合適的靶材;再根據靶材采

用比靶材原子序數小１或２的濾波片種類,以過濾Kβ,從而避免或減少熒光輻射的產生.在試驗前檢測儀器設備的穩定性,完成一次測試時,應當重新進行測試中心光斑的校準,再進行多次測試.如果５次測試的數值有一定的偏差,偏差在設備檢測結果允許的范圍內(±２５ MPa)[５],且其算術平均值和標準偏差在０~２５ MPa,則說明該儀器 的狀態穩定;如果偏差超過設備檢測結果允許的范圍,就會影響試驗結果的準確性,需要對儀器進行核查以減小系統誤差.在儀器運行了一段時間后,試范圍,就會影響試驗結果的準確性,需要對儀器進行核查以減小系統誤差.在儀器運行了一段時間后,

試驗結果偏差開始變大,此時應讓儀器停止運行一段時間,再進行測定和校準,合格后再進行檢測,這樣可以在一定程度上保證重復性試驗的準確性.

２．２ 檢測實例

該試驗測定了圓柱狀珠光體鋼棒表面的殘余應力,旨在檢測其縱向殘余應力的分布情況,試樣示意

圖如圖１所示.根據前文的要求,試驗參數的選擇如表２所示.

在對試樣進行測試之前,先使用還原鐵粉末對儀器進行檢測校零,得到校零試樣的殘余應力分別為－９,－７,－１２MPa,結果都在±２０ MPa內,證明儀器狀態是穩定可用的.

圖２ 交相關函數分布曲線

Fig.２ Distributioncurvesofthecorrelationfunction

數分布曲 線 進 行 計 算,得 出 的 結 果 如 表３所示.由表３進而可以計算出殘余應力為－３１１．０MPa(負號代表壓應力,下同),誤差為±１８MPa.

對圖１中試樣點７處根據交相關函數計算結果得到的 (２θ)ψＧsin２ψ 曲線如圖３所示.由圖３可以看出,該點的(２θ)ψＧsin２ψ 曲線擬合度很高,測試誤差較小,結果可靠.

３．１ 正確取樣

根據表１中的試驗條件,對圖１所示試樣進行殘余應力測定,得到的縱向殘余應力分布曲線如圖４中的圓點曲線所示.然后對試樣點１０處進行切割,再次對原測試點進行殘余應力測定,得到的縱向殘余應力分布曲線如圖４中的方塊曲線所示.

從圖４可以看出,檢測點１~８的縱向殘余應力在切割前后的分布基本一致,但在檢測點９處由于切割后會發生應力釋放,因此檢測點９處的殘余應力比切割前的低５１．９MPa.因此,對于明確要求殘余應力測定部位的試樣,在切割之前,應當考慮切割過程對殘余應力釋放的影響.為了確保檢測結果的有效性,一定要留出一定的切割余量,一般為１０mm以上,從而保證待測試樣檢測結果的準確性.

３．２ 試樣保護狀態

對上述試樣檢測點２和４附近分別進行錘砸處 理,再次對試樣的檢測點１~８進行縱向殘余應力測

試,所得的殘余應力分布如圖５所示.

由圖５可以看出,錘砸處理之后試樣的縱向殘余應力明顯增加,其中檢測點２和４的變化尤為明顯,檢 測 點 ２ 的 殘 余 應 力 由 －３１６．９ MPa 變 為－３７４．７MPa,壓應力增加了５７．８ MPa.檢測點 ４

的殘余應力由－３１５．０MPa變為－３７８．７ MPa,壓應力增加了６３．７MPa.在殘余應力測定過程中,檢測點附近的表面可能會受到機械損傷或變形等外力作用,比如試樣需要夾緊在工作臺上,而夾緊過程可能會對測定結果產生影響.因此,殘余應力的測定試樣表面應妥善保護,防止運輸過程中表面產生機械碰傷、劃傷等情況影響檢測結果,試樣夾持過程中也應避免產生附加應力.同時,試樣表面不應有污垢、油膜、厚氧化層等,當被測表面不滿足上述要求時,必須對表面進行清理和電解拋光.

３．３ 試樣組織狀態

常規的 X射線衍射法測定殘余應力,要求材料均勻、連續、各向同性.SAVALONI等[８]的研究結果表明,‹１１１›織構趨向于拉應力狀態,‹２００›織構趨向于壓應力狀態.在很多薄膜鍍層中常常存在一些織構,會對殘余應力的測定結果產生影響,添加擺動角可有效提高檢測結果的精確度.

４ 結論及建議

使用 X射線衍射法測定殘余應力有較高的精度,且理論方面已經相當成熟,是無損檢測殘余應力

的有效方法.在殘余應力檢測過程中,影響其檢測結果準確與否的因素主要有以下幾點.

(１)對于材料性質的正確判定,這是至關重要的一步,確定了材料的屬性,才能夠設置相應合理的檢測參數.

(２)取樣過程和樣品保護對殘余應力的檢測結果也會有影響.