5A06鋁合金包鋁層與基體X-ray殘余應(yīng)力檢測(cè)中的衍射峰峰位差異分析

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(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廊坊 065000；2.北京衛(wèi)星制造廠材料實(shí)驗(yàn)室，北京 10094)

X射線殘余應(yīng)力檢測(cè)方法的基本原理是通過(guò)計(jì)算衍射角的變化來(lái)計(jì)算晶面間距的應(yīng)變，從而得到該晶面所受應(yīng)力的大小(布拉格定律)，而衍射峰峰位變化是推算衍射角變化的主要依據(jù)，因此衍射峰峰位成了該方法應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中的主要參數(shù)。

鋁合金在應(yīng)用時(shí),通常需要經(jīng)過(guò)系列處理來(lái)滿足特定的性能要求，其表面常會(huì)包覆一層純鋁或Al-Zn 合金[1]。為研究包鋁層的存在是否會(huì)對(duì)X射線衍射殘余應(yīng)力的檢測(cè)造成干擾，筆者就包鋁層與基體5A06鋁合金衍射峰峰位存在差異的問(wèn)題展開(kāi)討論，確定引起兩者峰位差異的原因，為進(jìn)一步研究峰位差異對(duì)X-ray衍射殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果的影響，提供前期的理論分析和數(shù)據(jù)積累。

1 試驗(yàn)制備與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

在同一塊5 mm厚帶有包鋁層的5A06鋁合金板上切取兩塊尺寸(長(zhǎng)×寬)為100 mm×20 mm的試樣。試樣1保留其表面包鋁層，試樣2去除其表面包鋁層。另取一塊等尺寸純鋁板作為試樣3。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用加拿大Proto殘余應(yīng)力分析儀(見(jiàn)圖1)。儀器所配備探測(cè)器規(guī)格為：512個(gè)通道(用Nz表示)，對(duì)應(yīng)寬度18.4°(用α表示)。

圖1 加拿大Proto殘余應(yīng)力分析儀外觀

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 金相觀察

將試樣1橫截面打磨拋光后用氫氟酸進(jìn)行化學(xué)腐蝕，清洗干燥后進(jìn)行金相組織觀察。

1.3.2 射線同傾法檢測(cè)衍射峰位

射線檢測(cè)時(shí)，3個(gè)試樣采用相同的測(cè)點(diǎn)分布示意，如圖2所示。

圖2 試樣射線檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)分布示意

圖3 5A06焊板表層的金相

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 金相觀察結(jié)果

焊板表層金相如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，距焊板表面深約25 μm內(nèi)的晶粒較板材芯部晶粒的亮度更高，此厚度范圍為包鋁層。試樣沒(méi)有進(jìn)行鑲樣，包鋁層處于試樣邊緣，制樣過(guò)程難中免損傷包鋁層，所以包鋁層的實(shí)際厚度在25 μm以上。

2.1.2 X射線峰位檢測(cè)結(jié)果

創(chuàng)建3個(gè)試樣Ψ=0(Ψ為極距角)處衍射峰峰位所對(duì)應(yīng)通道數(shù)N與測(cè)點(diǎn)編號(hào)X之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同探測(cè)器得到的通道數(shù)N與測(cè)點(diǎn)編號(hào)X之間的關(guān)系

由圖4可知：包鋁層與純鋁的衍射峰峰位相同，比5A06鋁合金衍射峰峰位對(duì)應(yīng)通道數(shù)小了90左右;各點(diǎn)衍射圖樣中均只有一個(gè)衍射峰。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由布拉格定律(2dsinθ0=nλ,θ0為布拉格衍射角)可得出：峰位的差異取決于晶面間距(d)、干涉級(jí)數(shù)n以及射線波長(zhǎng)(λ)。試驗(yàn)過(guò)程未改變?nèi)魏螀?shù)，即射線波長(zhǎng)及探測(cè)器通道對(duì)應(yīng)的空間絕對(duì)坐標(biāo)沒(méi)有改變。下面，對(duì)干涉級(jí)數(shù)和晶面間距分別展開(kāi)討論。

2.2.1 干涉級(jí)數(shù)

干涉級(jí)數(shù)n可表示為

n=2dsinθ0/λ≤2d/λ

(1)

可見(jiàn)n存在最大值。

查閱文獻(xiàn)[2]可知純鋁的晶格常數(shù)為0.404 97 nm。建立衍射級(jí)數(shù)與衍射角的關(guān)系,如表1所示。

由表1中的第1,2行可知純鋁的干涉級(jí)數(shù)只有1級(jí)。假設(shè)n=2有解，即d=λ/sinθ0，要使得探測(cè)器能接收完整衍射峰，其布拉格衍射角應(yīng)在140°～160°范圍。由表1的第3，4兩行可知，此時(shí)的晶格常數(shù)增大了近一倍，鋁合金已不是連續(xù)固體。因此，干涉級(jí)數(shù)不是引起衍射峰峰位差異的因素。

表1 不同干涉級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)的衍射參數(shù)

2.2.2 晶面間距

晶面間距變化是引起衍射峰峰位變化的根本原因，所以引起晶面間距變化的因素也會(huì)影響衍射峰峰位。影響晶面間距的因素有殘余應(yīng)力、晶面指數(shù)和晶格常數(shù)。下面就這些因素分別展開(kāi)討論。

(1) 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力作用使晶粒在彈性范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，當(dāng)材料臨近屈服狀態(tài)時(shí)，晶面間距d變化最大，根據(jù)式(2)所示的應(yīng)力-應(yīng)變公式可得：

εmax=σs/E=-0.002 142 857

(2)

式中：εmax為材料最大應(yīng)變;σs為材料屈服強(qiáng)度;E為材料彈性模量。

(2) 衍射晶面指數(shù)

同一晶體，任意一組晶面，其間距與其指數(shù)(hkl)存在如下的定量關(guān)系。

(3)

簡(jiǎn)單地按布拉格定律理解,任意晶面都可以發(fā)生衍射，獲得衍射峰。實(shí)際上晶體內(nèi)部并不存在晶面結(jié)構(gòu)，真正發(fā)生衍射的是原子，而衍射強(qiáng)度主要取決于核外電子云，衍射線方向主要取決于空間點(diǎn)陣。鋁合金屬于面心立方晶體，以晶胞為衍射單元，對(duì)其點(diǎn)陣及結(jié)構(gòu)消光條件[3]進(jìn)行分析，得知鋁合金可發(fā)生射晶面,其晶面指數(shù)全為奇數(shù)或偶數(shù)。

列出所有能產(chǎn)生衍射線的晶面，并對(duì)其指數(shù)的平方和按從小到大順序排列，計(jì)算得布拉格衍射角如表2所示。

表2 不同衍射晶面對(duì)應(yīng)的衍射參數(shù)

由表2可知：試驗(yàn)所選(331)晶面產(chǎn)生的衍射峰與其相鄰衍射峰峰位差最小為-14°，而探測(cè)器能接收的衍射角域值為18.4°，即當(dāng)該晶面衍射峰位于探測(cè)器中央位置附近時(shí)，接收不到此衍射峰。所以,晶面變化不是引起兩者衍射峰峰位差異的原因。

(3) 晶格常數(shù)

5A06鋁合金中Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]W(Mg)%∈(5.8，6.8)。引用李志輝[2]在研究鋁合金中Mg、Zn、Cu含量與晶格常數(shù)關(guān)系的結(jié)論,得到Al-Mg二元合金晶格常數(shù)∈(0.405 866 132 2 nm，0.406 019 424 3 nm)。而由于其他合金的綜合作用,使得合金晶格常數(shù)進(jìn)一步增大，因此5A06鋁合金晶格常數(shù)?0.405 866 132 2 nm[W(Mg)%=5.8]，或0.406 019 424 3 nm[W(Mg)%=6.8]。

假定是合金元素的添加使得晶格常數(shù)發(fā)生變化,從而造成了衍射峰峰位的差異，接下來(lái)進(jìn)行5A06鋁合金晶格常數(shù)的推算。由純鋁晶格常數(shù)及衍射峰位差異估算的5A06鋁合金晶格常數(shù)如表3所示。

表3 由衍射峰峰位推算出的5A06鋁合金晶格常數(shù)

推算出的5A06鋁合金晶格常數(shù)為0.408 4 nm,與文獻(xiàn)推算結(jié)果相符。

綜上所述，干涉級(jí)數(shù)、殘余應(yīng)力、晶面指數(shù)都不是5A06鋁合金應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中引起兩者衍射峰峰位差異的原因。由純鋁晶格常數(shù)及衍射峰位差異估算的5A06鋁合金晶格常數(shù)0.408 4 nm與文獻(xiàn)推算結(jié)果相符。因此是由于合金元素的添加使得晶格常數(shù)發(fā)生了變化，從而造成了兩者衍射峰峰位的差異。

3 結(jié)論

(1) 包鋁層平均厚度在25 μm以上，略大于Co靶Kα射線透射深度，且成分為純鋁。

(2) 包鋁層的存在阻礙了X-ray衍射方法對(duì)5A06鋁合金基體殘余應(yīng)力的檢測(cè)。

(3) 干涉級(jí)數(shù)、殘余應(yīng)力、晶面指數(shù)三者變化可引起衍射峰峰位偏移，但不是造成5A06鋁合金包鋁層與基體X-ray應(yīng)力檢測(cè)中兩者衍射峰峰位差異的原因。

(4) 5A06鋁合金包鋁層與基體晶格常數(shù)的差異是X-ray衍射方法殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中引起兩者衍射峰峰位差異的原因。

參考文獻(xiàn):

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[4] 周令德. 5A06鋁合金擠壓制品退火過(guò)程中粗晶環(huán)形成機(jī)理探討[J].鋁加工, 2016(1):30-36.