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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 ２０００７２;２．上海出入境檢驗(yàn)檢疫局,上海 ２００１３５)

摘 要:采用 X射線衍射法測(cè)定了圓棒表面的殘余應(yīng)力,討論了檢測(cè)方法、檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)、試樣狀態(tài)等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響.結(jié)果表明:在表面殘余應(yīng)力測(cè)定過程中,應(yīng)在檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定工作的前提下,根據(jù)材料類型和晶體結(jié)構(gòu)來選擇檢測(cè)參數(shù),考慮試樣的割取與保護(hù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響;對(duì)于組織狀態(tài)復(fù)雜的材料,可適當(dāng)增加擺動(dòng)角來提高檢測(cè)精度.

關(guān)鍵詞:圓棒;表面殘余應(yīng)力;X射線衍射;影響因素

中圖分類號(hào):TG１１５．２２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０４７０Ｇ０４

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

目前,比較成熟且普遍應(yīng)用的殘余應(yīng)力測(cè)試方法大致可以分為機(jī)械破壞測(cè)試法和無損測(cè)試法兩大類.

其中機(jī)械破壞測(cè)試法有盲孔法、切條法、逐層銑削法等;無損測(cè)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(cè)試方法,可用于表面殘余應(yīng)力的測(cè)試,該技術(shù)已經(jīng)較為成熟,并且具有較高的測(cè)試精度.X射線衍射法能夠分別測(cè)算軸向、切向和徑向的殘余應(yīng)力,可以用來測(cè)試彎曲面及球面試樣的殘余應(yīng)力,在測(cè)試薄膜應(yīng)力方面的應(yīng)用也很廣泛[４].

筆者采用愛斯特應(yīng)力技術(shù)公司生產(chǎn)的 XＧ３５０A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀,對(duì)圓棒表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定,討論了試驗(yàn)參的選擇、檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)、試樣狀態(tài)等因素對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,以供相關(guān)人員參考.

１ X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的技術(shù)要點(diǎn)目前我國執(zhí)行的 X 射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的國家標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T７７０４－２００８«無損檢測(cè) X 射線應(yīng)力測(cè)定方法»[５],該標(biāo)準(zhǔn)目前正在修訂中,對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的精準(zhǔn)理解是做好檢測(cè)工作的第一步,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

１．１ 參數(shù)的選擇

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

該次試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備是采用掃描式技術(shù)來測(cè)定 材料表面的殘余應(yīng)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(biāo),一般最小步距應(yīng) 不大于０．１°.對(duì)探測(cè)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到的X射 線光子數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)越高則隨機(jī)誤差越小. 待測(cè)面的中心應(yīng)準(zhǔn)確置于儀器指示的測(cè)試點(diǎn) 中心、X射線光斑中心、測(cè)角儀回轉(zhuǎn)中心三者重合 的位置. １．２ 常用方法 X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的常用方法有同傾 法和側(cè)傾法兩種[５].同傾法是測(cè)定方向平面和掃描 平面相重合的應(yīng)力測(cè)定方法,又可分為同傾固定ψ０法(也稱ω 法)、同傾回?cái)[法、同傾固定ψ 法.側(cè)傾法(也稱χ 法)是測(cè)定方向平面和２θ 掃描平面相互垂直、衍射晶面法線位于測(cè)定方向平面內(nèi)的測(cè)定方法,

又可分為側(cè)傾固定ψ 法和側(cè)傾固定ψ 回?cái)[法[８].側(cè)傾法與同傾法相比具有一些優(yōu)點(diǎn):①在某些空間受到限制的情況下,采用側(cè)傾法比較有利;②吸收因子與ψ 角 無 關(guān),不 必 進(jìn) 行 衍 射 強(qiáng) 度 的 吸 收 校正;③對(duì) 于 某 些 材 料,如 果 在 較 高 的 角 度 范 圍 內(nèi)(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(zhǔn)確、實(shí)用效果好而優(yōu)于固定ψ０ 法.在側(cè)傾的條件下實(shí)施固定ψ 法會(huì)產(chǎn)生優(yōu)越的新特點(diǎn),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(huì)傾斜,峰形基本對(duì)稱,而且在無織構(gòu)的情況下峰形及強(qiáng)度不隨ψ 角的改變而變化.在有輕微織構(gòu)或晶粒稍微粗大的情況下,固定ψ 法也可顯示其優(yōu)勢(shì).

１．３ 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)試 原 理,用 波 長 為λ 的 X 射 線 先 后 數(shù)次以不同的 入 射 角ψ 照 射 到 試 樣 上,測(cè) 出 相 應(yīng) 的衍射角２θ,求出２θ對(duì)sin２ψ 的斜率 M,便可計(jì)算出內(nèi)應(yīng)力σΦ .在實(shí)際應(yīng)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(yàn)中,可能會(huì)由于測(cè)試系統(tǒng)或試樣本身的緣故,使得２θ與sin２ψ 的線性關(guān)系不理想,應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行多次多點(diǎn)測(cè)試,從而避免出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差,因此多采用sin２ψ 法.定峰是數(shù)據(jù)處理中很重要的環(huán)節(jié),定峰前會(huì)進(jìn)行背底處理、強(qiáng)度因子校正等,定峰之后,軟件也會(huì)作出應(yīng)力值計(jì)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(guān)法等[８].半高寬法是對(duì)某一個(gè)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(qiáng)度８０％以上部分)的點(diǎn),用最小二乘法,以拋物線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)作為峰位進(jìn)行定峰.交相關(guān)法是通過兩個(gè)不同的入射角測(cè)定的衍射峰曲

線構(gòu)造交相關(guān)函數(shù)曲線,并以交相關(guān)曲線最大值點(diǎn)的橫坐標(biāo)作為兩個(gè)衍射峰的峰位差 Δ２θ.交相關(guān)法利用全部原始測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,定峰精度較高,該試驗(yàn)中采用交相關(guān)法進(jìn)行定峰.不過交相關(guān)法要求進(jìn)行交相關(guān)處理的兩個(gè)衍射峰形態(tài)近似,如果被測(cè)材料由于織構(gòu)、粗晶等原因?qū)е路逍伟l(fā)生不規(guī)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(guān)法顯然不合適.

２ X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的設(shè)備與參數(shù)

２．１ 設(shè)備及其穩(wěn)定性

殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大的影響.測(cè)試前,首先應(yīng)當(dāng)檢查儀器的各個(gè)零件是否處在正確的位置上,選用適當(dāng)直徑的準(zhǔn)直管,根據(jù)試驗(yàn)材料參考表１,選取合適的靶材;再根據(jù)靶材采

用比靶材原子序數(shù)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(chǎn)生.在試驗(yàn)前檢測(cè)儀器設(shè)備的穩(wěn)定性,完成一次測(cè)試時(shí),應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行測(cè)試中心光斑的校準(zhǔn),再進(jìn)行多次測(cè)試.如果５次測(cè)試的數(shù)值有一定的偏差,偏差在設(shè)備檢測(cè)結(jié)果允許的范圍內(nèi)(±２５ MPa)[５],且其算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差在０~２５ MPa,則說明該儀器 的狀態(tài)穩(wěn)定;如果偏差超過設(shè)備檢測(cè)結(jié)果允許的范圍,就會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要對(duì)儀器進(jìn)行核查以減小系統(tǒng)誤差.在儀器運(yùn)行了一段時(shí)間后,試范圍,就會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要對(duì)儀器進(jìn)行核查以減小系統(tǒng)誤差.在儀器運(yùn)行了一段時(shí)間后,

試驗(yàn)結(jié)果偏差開始變大,此時(shí)應(yīng)讓儀器停止運(yùn)行一段時(shí)間,再進(jìn)行測(cè)定和校準(zhǔn),合格后再進(jìn)行檢測(cè),這樣可以在一定程度上保證重復(fù)性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

２．２ 檢測(cè)實(shí)例

該試驗(yàn)測(cè)定了圓柱狀珠光體鋼棒表面的殘余應(yīng)力,旨在檢測(cè)其縱向殘余應(yīng)力的分布情況,試樣示意

圖如圖１所示.根據(jù)前文的要求,試驗(yàn)參數(shù)的選擇如表２所示.

在對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試之前,先使用還原鐵粉末對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)校零,得到校零試樣的殘余應(yīng)力分別為－９,－７,－１２MPa,結(jié)果都在±２０ MPa內(nèi),證明儀器狀態(tài)是穩(wěn)定可用的.

圖２ 交相關(guān)函數(shù)分布曲線

Fig.２ Distributioncurvesofthecorrelationfunction

數(shù)分布曲 線 進(jìn) 行 計(jì) 算,得 出 的 結(jié) 果 如 表３所示.由表３進(jìn)而可以計(jì)算出殘余應(yīng)力為－３１１．０MPa(負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力,下同),誤差為±１８MPa.

對(duì)圖１中試樣點(diǎn)７處根據(jù)交相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果得到的 (２θ)ψＧsin２ψ 曲線如圖３所示.由圖３可以看出,該點(diǎn)的(２θ)ψＧsin２ψ 曲線擬合度很高,測(cè)試誤差較小,結(jié)果可靠.

３．１ 正確取樣

根據(jù)表１中的試驗(yàn)條件,對(duì)圖１所示試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定,得到的縱向殘余應(yīng)力分布曲線如圖４中的圓點(diǎn)曲線所示.然后對(duì)試樣點(diǎn)１０處進(jìn)行切割,再次對(duì)原測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定,得到的縱向殘余應(yīng)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(cè)點(diǎn)１~８的縱向殘余應(yīng)力在切割前后的分布基本一致,但在檢測(cè)點(diǎn)９處由于切割后會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放,因此檢測(cè)點(diǎn)９處的殘余應(yīng)力比切割前的低５１．９MPa.因此,對(duì)于明確要求殘余應(yīng)力測(cè)定部位的試樣,在切割之前,應(yīng)當(dāng)考慮切割過程對(duì)殘余應(yīng)力釋放的影響.為了確保檢測(cè)結(jié)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(cè)試樣檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

３．２ 試樣保護(hù)狀態(tài)

對(duì)上述試樣檢測(cè)點(diǎn)２和４附近分別進(jìn)行錘砸處 理,再次對(duì)試樣的檢測(cè)點(diǎn)１~８進(jìn)行縱向殘余應(yīng)力測(cè)

試,所得的殘余應(yīng)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(yīng)力明顯增加,其中檢測(cè)點(diǎn)２和４的變化尤為明顯,檢 測(cè) 點(diǎn) ２ 的 殘 余 應(yīng) 力 由 －３１６．９ MPa 變 為－３７４．７MPa,壓應(yīng)力增加了５７．８ MPa.檢測(cè)點(diǎn) ４

的殘余應(yīng)力由－３１５．０MPa變?yōu)椋常罚福?MPa,壓應(yīng)力增加了６３．７MPa.在殘余應(yīng)力測(cè)定過程中,檢測(cè)點(diǎn)附近的表面可能會(huì)受到機(jī)械損傷或變形等外力作用,比如試樣需要夾緊在工作臺(tái)上,而夾緊過程可能會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響.因此,殘余應(yīng)力的測(cè)定試樣表面應(yīng)妥善保護(hù),防止運(yùn)輸過程中表面產(chǎn)生機(jī)械碰傷、劃傷等情況影響檢測(cè)結(jié)果,試樣夾持過程中也應(yīng)避免產(chǎn)生附加應(yīng)力.同時(shí),試樣表面不應(yīng)有污垢、油膜、厚氧化層等,當(dāng)被測(cè)表面不滿足上述要求時(shí),必須對(duì)表面進(jìn)行清理和電解拋光.

３．３ 試樣組織狀態(tài)

常規(guī)的 X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力,要求材料均勻、連續(xù)、各向同性.SAVALONI等[８]的研究結(jié)果表明,‹１１１›織構(gòu)趨向于拉應(yīng)力狀態(tài),‹２００›織構(gòu)趨向于壓應(yīng)力狀態(tài).在很多薄膜鍍層中常常存在一些織構(gòu),會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響,添加擺動(dòng)角可有效提高檢測(cè)結(jié)果的精確度.

４ 結(jié)論及建議

使用 X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力有較高的精度,且理論方面已經(jīng)相當(dāng)成熟,是無損檢測(cè)殘余應(yīng)力

的有效方法.在殘余應(yīng)力檢測(cè)過程中,影響其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確與否的因素主要有以下幾點(diǎn).

(１)對(duì)于材料性質(zhì)的正確判定,這是至關(guān)重要的一步,確定了材料的屬性,才能夠設(shè)置相應(yīng)合理的檢測(cè)參數(shù).

(２)取樣過程和樣品保護(hù)對(duì)殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果也會(huì)有影響.