材料表面殘余應(yīng)力測試技術(shù)研究

李業(yè)欣

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)

金屬材料在熱處理、表面處理、表面改性、塑性變形加工等各種冷熱加工之后或在切削、研磨、裝配、鑄造、焊接等加工工藝之后，材料的局部區(qū)域產(chǎn)生了不均勻的塑性變形，必然會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。嚴(yán)格的講，完全沒有內(nèi)應(yīng)力的固體是不存在的。［1］殘余應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，它與材料中局部區(qū)域存在的殘余彈性應(yīng)變相聯(lián)系，是材料中發(fā)生了不均勻的彈性形變或不均勻的彈塑性變形而引起的，或者說是材料的彈性各向異性或塑性各向異性的反映。這種殘余應(yīng)力對疲勞強度、抗蝕性、尺寸穩(wěn)定性、相變、硬度等均有影響。此外，絕大多數(shù)機件的疲勞破壞是從表面開始的，可以設(shè)想，提高表面塑變抗力(硬度和強度)，降低表層的有效拉應(yīng)力，便可以抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，提高疲勞強度［2］。機械零部件的殘余應(yīng)力是指在無外加載荷的作用下，存在整個機械零部件內(nèi)部或在較大尺寸的宏觀范圍內(nèi)均勻分布并保持平衡的一種內(nèi)應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力而影響或?qū)е碌臋C械零件失效達(dá)50%以上，也是工程界越來越關(guān)注的產(chǎn)品失效問題［3］。

在航空工業(yè)中，鋼類主要用于制造受力結(jié)構(gòu)件、鏈接件、緊固件和彈性件等。它具有高比強度，良好的疲勞性能和工藝性能，且價格低廉。由于結(jié)構(gòu)鋼耐腐蝕性能差，不能在較高溫度工作等原因，一些重要的結(jié)構(gòu)件部分地被其他材料所取代。但是飛行器結(jié)構(gòu)空間是有限的，要求所用的材料不僅比強度高，而且所制成的零件體積要小。在載荷一定的條件下，鋼制零件在體積小、穩(wěn)定性好方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他常用材料。在許多情況下，鋼幾乎成了唯一可供選擇的材料，因此結(jié)構(gòu)鋼在航空材料中仍然占據(jù)著十分重要的位置［4］。

1 測試原理和測試要點

1.1 X射線應(yīng)力測定的基本原理

在已知X射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立確定的關(guān)系。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會相應(yīng)改變。因此通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應(yīng)力σ。

圖1 X射線衍射原理

1.2 X射線應(yīng)力測定的要點

整個測試過程包括:對被測件表面有時必要的處理，儀器的調(diào)整，測試參數(shù)的選擇，數(shù)據(jù)的采集和處理，直到獲得應(yīng)力值。

1.2.1 試樣要求［6］

為了真實且準(zhǔn)確地測試材料中的內(nèi)應(yīng)力，必須高度重視被測材料組織結(jié)構(gòu)、表面處理和測點位置設(shè)定等。試樣大小要求小于250 mm3體積，試樣表面必須光滑、沒有污垢、油膜及厚氧化層等。原則上講，表面粗超度越低，應(yīng)力測定就越準(zhǔn)確，粗糙的表面應(yīng)力會有一定程度的釋放，GB/T7704－1987標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被測部位表面粗糙度Ra應(yīng)當(dāng)＜10μm。此外，由于機加工而在材料表面產(chǎn)生的附加應(yīng)力層最大深度可達(dá)100μm，因此需要對試樣表面進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的方法是利用電化學(xué)或化學(xué)腐蝕等手段，去除存在附加應(yīng)力的表面層材料。如果試驗?zāi)康氖菫榱藴y試機加工、噴丸、表面處理等工藝之后的表面應(yīng)力，則不需要上述預(yù)處理過程，必須小心保護(hù)待測試樣的原始表面，不能進(jìn)行任何磕碰、加工、電化學(xué)或化學(xué)腐蝕等影響表面應(yīng)力的操作。

1.2.2 測試參數(shù)

可問題是：林子大了什么鳥都有。我們這一生可能遇到各種奇葩，如果都要和他們置氣，那就沒完了。莊子說：不遣是非，與世俗處。不要爭論說明是非，人生在世，難免有看不慣的人和事，放寬心，笑笑就得了。

在X射線衍射應(yīng)力測試分析中，選擇正確的測試參數(shù)，目的是獲得完整且光滑的衍射譜線，因此，必須考慮諸如輻射波長、布拉格角(2θ)、衍射晶面(hkl)、定峰方法、光孔設(shè)置、β擺動設(shè)置、電壓/電流、背底材料、濾波片、X射線曝光時間、曝光次數(shù)、尋峰(Ψ角)設(shè)置以及X射線彈性常數(shù)等因素的影響。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

采集到良好的原始衍射數(shù)據(jù)后，還必須經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理及計算，最終才能獲得可靠的應(yīng)力數(shù)值。數(shù)據(jù)處理包括:衍射峰形處理、確定衍射峰位、應(yīng)力計算及誤差分析等內(nèi)容。

2 結(jié)果討論與分析

本課題中所測定的為 38CrA、38CrMoAlA、0Cr17Ni4Cu4Nb、1Cr18Ni9Ti、16Cr3NiWMoVNb E、1Cr11Ni2WMoV、12Cr2Ni4A等材料的拋光試片、切割試片、噴丸試片、焊接件、熱處理前后試片。

2.1 零應(yīng)力鐵粉塊及Steel標(biāo)樣塊測定

通過對零應(yīng)力粉末和鋼標(biāo)樣的多次測定，熟悉了能夠影響測試結(jié)果的因素，及如何獲得可信度高的應(yīng)力值的要點。零應(yīng)力鐵粉塊及Steel標(biāo)樣塊的測定參數(shù)見表1。然而，對于零應(yīng)力鐵粉塊測定參數(shù)不是一個固定選擇，因為其有良好的表面質(zhì)量，微觀結(jié)構(gòu)均勻，衍射譜線明顯，有些參數(shù)的改變對應(yīng)力值影響不大，只是可能會增加測試的時間。

表1 零應(yīng)力鐵粉塊及Steel標(biāo)樣塊的測定參數(shù)

2.2 試片測定

試驗中制作的試片均為結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼材料，滿足Cr靶 Kα =2.291Α 波長，V(釩)濾波片，依據(jù)試片的表面質(zhì)量及測試參數(shù)的選擇對結(jié)果精度的影響，分別分組進(jìn)行了測試參數(shù)對測試結(jié)果影響的試驗。

2.2.1 試片表面狀況

如果試樣表面有污垢，油膜，厚氧化層，對測試殘余應(yīng)力都會有不同程度的影響，甚至測不出應(yīng)力值;如果試片表面嚴(yán)重的凸凹不平，阻礙X射線反射，探測器接收不到衍射信號，那么無論怎樣改變測試參數(shù)，測試結(jié)果都表現(xiàn)衍射峰開口大，毛刺多，信噪比低，信號采集不準(zhǔn)，及采集點的值偏離度很大，則測試結(jié)果的可信度降低，甚至不能做為測試結(jié)果，如圖2。若改善了表面狀態(tài)，保持不改變其它測試條件，可獲得衍射峰峰頂尖銳，曲線光滑，采集點的值偏離度很小，如圖3。

圖2 粗切割16Cr3NiWMoVNbE試片測試衍射譜線及擬合圖

圖3 Steel標(biāo)樣測試衍射譜線及擬合圖

2.2.2 測試參數(shù)的選擇

(1)衍射晶面(hkl)、2θ、X 射線彈性常數(shù)、應(yīng)力常數(shù)

試驗中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼材料中大部分Fe基材料的衍射晶面為 BCC(211)，2θ=156°，X射線彈性常數(shù)(1/2)S2為11.8900×10－6/MPa，應(yīng)力常數(shù)－154 MPa/deg就可以測出很好的測試結(jié)果。

(2)背底處理［7］

衍射峰的背底是一些與測量所用的布拉格衍射無關(guān)的因素造成的，包括康普頓散射，漫散射和熒光輻射等，這些因素都受吸收的影響，有的強度還隨sinθ/λ值的增大而增大?？鄢车资翘岣叨ǚ搴蛻?yīng)力測量準(zhǔn)確性的必要步驟之一。通過對背底片的衍射強度采集，衍射峰各點扣除對應(yīng)的背底強度，即可得到一條無背底的衍射曲線(圖4)。

圖4 背底處理及半高寬法定峰

(3)定峰方法

定峰方法通常有半高寬法，拋物線法，重心法和中點平均值法。對于同一個衍射峰用不同的方法來定峰所得的2θ值是不同的，但是應(yīng)力測定時不是依據(jù)一條衍射線的2θ值，而是根據(jù)四個以上不同Ψ角的衍射線的2θ對sin2Ψ的斜率來確定應(yīng)力值，所以定峰方法對應(yīng)力測定值的影響和它對單一衍射線定峰的影響相對就小多了。究竟應(yīng)該選者什么樣的定峰方法主要考慮各種定峰方法提取了衍射線的哪部分信息;所測定的衍射線的譜形特點等等［8］。

試驗中，針對試片的測定，發(fā)現(xiàn)高斯法和拋物線法所包含衍射線的信息比較完整、準(zhǔn)確，測得結(jié)果較為理想，具有足夠的可信度。

(4)X射線曝光時間、曝光次數(shù)

曝光時間和曝光次數(shù)是指X射線在被測件上每次照射的時間和每點照射的次數(shù)，此值越大采集的衍射信息越多，但是過多的時間和次數(shù)會提高衍射信息的敏感性，加大了背底扣除的難度，而且還會增加測試的時間。此外，曝光時間和次數(shù)的改變能夠調(diào)整衍射峰譜線的光滑度，也可以調(diào)整背底線更加趨于一條無毛刺的直線。

(5)β角設(shè)置、Ψ角設(shè)置

β角擺動通常為1°～8°的范圍，一般取3°即可。對于表面狀況較差(粗燥)的或是材料內(nèi)部存在織構(gòu)的情況下建議可取5°;Ψ角的設(shè)置原則是使它在sin2Ψ坐標(biāo)上具有大致相等的間距，這樣每個衍射角測量值對測量結(jié)果的計算能夠起到同等的作用。在測試空間允許設(shè)置足夠?qū)挼摩方欠秶鷷r，至少設(shè)置4個Ψ角，這樣才能保證測量結(jié)果的可信度。

(6)電壓/電流

電壓/電流的調(diào)整可以改變衍射強度，在單次曝光采集衍射峰時，為了使被測材料衍射峰與背底直線相吻合，可以通過調(diào)整電壓/電流，以達(dá)到良好的擬合度。一般情況下，只需調(diào)整背底的電壓就可以收到良好的效果。

(7)光孔設(shè)置

測試中考察了光孔直徑為0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm 圓孔和0.5 mm ×3 mm、1 mm ×3 mm、2 mm×1 mm方孔等。理論上，我們測得的應(yīng)力是X射線照射面之內(nèi)的平均值，光孔越大，X射線照射的面積越大，采集的衍射信息就越多。但是，我們必須考慮被測試件的具體情況，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力各種可能的原因，分析它的大小在試件表面各處是否會有很大的變化梯度，合理確定照射面積的大小。梯度小則照射面積允許大一些(如測定平面噴丸試件應(yīng)力);應(yīng)力梯度比較大(如測定焊接應(yīng)力)，則應(yīng)選擇較小的光孔。此外，還應(yīng)考慮被測工件的尺寸和形狀，在小平面上或曲率半徑較小的弧面上測試，則必須選用較小的準(zhǔn)直管。

3 應(yīng)用實例

3.1 噴丸工藝試驗

試驗中選取了兩片961材料輥軋后的葉片，標(biāo)定測試點，進(jìn)行了X、Y兩個方向的表面殘余應(yīng)力測試;后經(jīng)1個壓力和2個壓力的噴丸工藝，在原標(biāo)定位置重新測試X、Y兩個方向的表面殘余應(yīng)力，結(jié)果見表2、表3，單位MPa。噴丸處理后，葉片表面壓應(yīng)力明顯增大。

(2)12Cr2Ni4A齒輪電子束焊接工藝，齒輪熱處理前后應(yīng)力變化比較。試驗中共做了5個齒輪的電子束焊焊縫熱處理前后的殘余應(yīng)力比較，測試點位置設(shè)置在焊縫中心，結(jié)果見表4、圖5，單位MPa。焊縫中心經(jīng)過熱處理后應(yīng)力殘余發(fā)生變化，應(yīng)力值降低，部分由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而內(nèi)側(cè)、外側(cè)殘余應(yīng)力值則變化不大。

表2 噴丸前后(1個壓力)葉片表面殘余應(yīng)力

表3 噴丸前后(1個壓力)葉片表面殘余應(yīng)力

表4 焊縫熱處理前后應(yīng)力值 單位:MPa

圖5 焊縫中心熱處理前后應(yīng)力變化比較圖

4 結(jié)論

(1)本試驗研究了 38CrMoAlA、0Cr17Ni 4 Cu4 Nb、1 Cr18 Ni9Ti、16 Cr3 NiWMoVNbE、1 Cr11 Ni2WMoV等結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼類材料表面殘余應(yīng)力的測試方法。

(2)本試驗分析了影響測試結(jié)果的因素:試樣表面粗糙度應(yīng)Ra＜10μm;試樣尺寸小于250 mm3體積;測試參數(shù)包括(hkl)、2θ、X 射線彈性常數(shù)、應(yīng)力常數(shù)、定峰方法、背底處理、X射線曝光時間、曝光次數(shù)、β角、Ψ角、電壓/電流、光孔等等的設(shè)置。

(3)材料表面殘余應(yīng)力測定可對焊接、噴丸、熱處理等不同處理工藝進(jìn)行評價，用于科研試驗、測試及失效分析工作中。

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