第二十san期 喷wan后零jian的X射线残余应力测试fang法
发布时jian:2017/11/25 15:28:09

yin 言                                                                                                    

    you一种观点认为是wu法zhi接测试残余应力的。但是可以测试应变,然后把应变和相应的弹xing常数相乘jin而得到残余应力。这种fang法为大家suoshu悉,qi中包括应变紁in治龅膄ang法。通过jian测一些wu体特xing(与应变成zheng比)的细微变化来tui导chu残余应力,例如应变计中细技术si的电阻变化以jix射线测试中的晶面jianju的变化。

    目前关于残余应力测试和分析已jingyou大量的文献可gong参考。ben篇文章的目的就是nenggou让读者明白关于喷wan后零jian的残余应力是如何测试的相关基ben原理。文章中也jieshao了如何使用x射线的fang法反yingchu在喷wan的区域中残余应力sui层深的变化。

晶面jianju的变化

    X射线测试残余应力的fang法必须依靠精que地测试chu晶体cai料的晶面jianju的细微变化。suo幸的是,几乎suoyou的喷wan零jiandu是晶体结构。关于晶体cai料,you关于晶面jianju和x射线衍射jiao的zhi接关系式。该关系式在zhu名的布拉格fang程中得以体现,由下式jin行表达:

    nλ=2dhkl.sinθ                         (1)

    qi中λ是suo用x射线的波长,dhkl是被检测晶面的晶面jianju,n是整数,θ是衍射jiao。

    对于公式(1)jin行微分,可以得到:

    △θ=-△dhkl/ dhkl.tanθ                   (2)

    公式(2)中,△dhkl/ dhkl为应变,是一个变量,△θ是衍射jiao。△θ的zhizhi接取jue于tanθ,suo以使用大的衍射jiao是必须的。对于喷wan后的高强du钢,最大的ya缩残余晶格应变大约为-0.01。代入到公式(2)中,如果衍射jiao为75°,那么x射线衍射jiao的变化为+2.138°。如果衍射jiao为15°,那么x射线衍射jiao的变化仅为+0.154°。图1采用简图的fang式显shi了x射线衍射的状态。

 

图1.sui着衍射jiaoθ的减xiao,可以得到一个ya应力σ

    如果cai料没you残余应力,那么测试chu没you发生应变的晶面jianju为du,如图1(a)suoshi。如果cai料cun在一个残余ya应力σ,那么衍射jiaohui减xiao,测试chu的晶面jianjuhui增加为dn。suo测试chu的晶格应变为(dn-du)/dn,ji为shi量εn,如图1(b)suoshi。

应力与应变的关系

    由于x射线的穿蚲ai芰Ψ浅5膞iao,suo以可襶un衔鐆an后cai料表面的应力状态为二wei应力。对于任何cun在应力的零jian表面,duyou两个主应力,σ1和σ2,穤hi鹧刈呕ハ啻箊hi的x轴和y轴,又du与z轴(受喷零jian的法向)垂zhi。采用应变紁in治龅膄ang法,可以采用san个应变计来jueding应力的fang向,x和yfang向上的主应力的合成应力可以采用Φ来juedingqifang向,如图2suoshi。可以在ping行于零jian表面的fang向测蕐un鲇Ρ鋤hi。然而采用x射线的fang法并不neng测试ping行于零jian表面的应变。取而代之可以依靠在与表面成不同jiaodu的ψfang向上测试应变。上述suoshi两个应变fang向如图2suoshi,穤hi鹞狞sub>z和εΦ,ψ。如sui后jieshaona容,已知fang向上的残余应力σΦ就是从这些可测量的应变中得chu来的。

 

图2.x射线应变测试fang法中的应力与应变模xing

测试得到的晶格应变与残余应力的关系

    各向同xing弹xing的jing典纋i郏上率奖泶铮裹/span>

    εΦ, ψ=(ν+1) .σΦ.sin2ψ/E –ν .( σ1+σ2 )/E            (3)

    qi中,ν为泊song比,E为弹xing模量。

    公式(3)为x射线测试应力的基ben纋i酃健4邮У墓鄣憷纯矗霉轿罴虻サ膌eixing,jizhi线xingy=m.x+c。sui着gai变不同祄u莇uψ,唯一发生变化的参数为εΦ, ψ。通过公式(3)可以简化为:

    εΦ, ψ=m.sin2ψ+c                               (4)

    qi中m是zhi线的斜率,等于σΦ.(ν+1) /E,c为zhi线在晶格应变轴的jieju,等于–ν .( σ12 )/E。

    理解公式的最haofang法就是使用公式。举例如图3suoshi。

 

图3.喷wan表面显shichu明显的fang向xing

    一个圆形的钢铁圆盘表面被均yun地喷wan后,qi表面yin入的残余应力为-500MPa。在这种特殊情况下,残余应力不suijiaoduΦ发生变化,suo以可以得到σ12Φ=-500MPa。该钢铁圆盘的弹xing常数已知E=210GPa,ν=0.30。σΦ.(ν+1) /E的zhi为-0.0031,–ν .( σ12 )/E。的zhi为+0.00143。把这些zhi代入到公式(4)中,可得到εΦ, ψ=-0.0031.sin2ψ+0.00143。该公式可以绘制成如图4suoshi。

 

图4.晶格应变和sin2ψ的线xing关系

    在图4中的四个点对应的ψjiao秖uezhi鹞?°,30°,45°和60°。suo谓的“sin2ψfang法”包括了一组这样的点以ji根据这些点采用最xiao二乘法jin行拟合并建li相应的公式。suo谓的“两点法en褪侵徊捎昧礁龅慊嬷苲hi线,因此该fang法不需要最xiao二乘法来tui倒chu相关的线xing关系。

    x射线测试残余应力的fang法中,实际需要测试的参数为衍射feng对应祄u莇uθ。该jiaoduzhi可以采用布拉格fang程转化为晶格jianjudψ。一个至关重要的zhi就是cai料在wu应力状态下的晶格jianjudu。但是,在已jingyou应力的零jian中没youban法zhi接测试du的zhi。采用suo测试的d-jianju的ping均zhi取而代之。该fang法如图5suoshi,根据图4中晶格应变的相关数据计算得到晶格jianju。对于没you应力的cai料,已知晶格jianjudu的zhi为1.000000。根据该单位zhi,最大和最xiao的测试jianju穤hi鹞?.001430和0.999105.这两个zhi的ping均zhi为1.0002675。对于du,使用1.0002675代替1.000000仅hui带来四千分之一的误差。对已知的因素例如弹xing常数来说,该误差对于精quedu的影响并不明显。

 

图5.根据图4的数据,采用晶面jianju的fang式jin行表达

    句子“各向同xing弹xingjing典纋i邸敝校钊艘苫蟮囊桓龃饰案飨蛲瑇ing”。对于一个由已知cai料制造chu的零jian,qi体积弹xing模量E的变化范围可相差50%以上。这是因为单个晶体的弹xing常数是sui着不同的晶面fang向而发生变化的。采用x射线分析的fang法,需要zhi明一个具体的晶面fang向,ji在垂zhi于相应的晶面fang向上发生反射。因此,采用x射线的fang法测试残余应力时,需要zhi明零jiancai料在具体晶面fang向上的弹xing常数E和泊song比ν。

表面残余应力的研究

    采用2.00mm的钢qiuya头对一个放在坐标gong作tai上的低碳钢zha板jin行加gong,得到了一组youxupai列的lei似于喷wan后的凹坑,如图6suoshi。在ju形区域中,youxupai列共包括6列,每列you21个凹坑。每个凹坑的謆en段?.67mm并处于1mmwang格的中心位置。采用铬baKαfu射来测试表面残余应力。X射线的光束被xian制在试样表面的12mm×1.5mm的ju形区域謝iaoJ匝胖糜趛oumm刻du的gong作tai上,每隔2.00mm的jianju测试表面不同区域的应力,测试fang向如图7suoshi。共测试10点,qi中3点的测试位置如图7suoshi。该测试的主要目的就是研究yin入的残余应力suiju离的变化关系。测试结果以糰n馐郧虿捎弥氐詓hi的fang法jin行展shi,如图8suoshi。从图8中可以看chu,低碳竮hi脑加αξ?0MPa的拉应力。喷wan后的最大ya应力为175MPa(大约为极xian抗拉强du的40%),该处的覆gai率为34.7%。表面残余ya应力从喷wan区域可以扩展至十倍凹坑謆en冻u的未喷wan区域,这要比预期猜想的ju离更长。

    ben试验采用的凹坑pai列fang式并非典xing,但可以作为研究的目的。下一步将采用“youxu喷wan”的fang式来jin行更深入的研究。

 

图6.在软钢ping板上得到的由0.67mm謆en栋伎幼槌傻膟ouxupai列的bu分显shi

 

图7.喷wan区域的shi意图以jiX射线的移动fang式

 

图8. 在低碳竮hi砻嫔贤ü鐆an区域的残余应力与ju离的变化关系