基于X射線應力儀的大型儀器設備購置論證案例分析

易力力, 陶桂寶, 肖雨亮, 康 玲

(重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

0 引 言

隨著我國教育事業(yè)的發(fā)展，大型精密儀器設備在高校中的數(shù)量逐年遞增，對提高實驗教學質量和促進科研穩(wěn)步發(fā)展方面發(fā)揮了關鍵的作用。但大型精密儀器設備多數(shù)屬于進口設備，其價格昂貴，如果在購置前缺乏早期規(guī)劃，論證不充分則容易出現(xiàn)重復購置、招標過程技術要求制定不合理等問題，最終導致設備使用效率低甚至閑置現(xiàn)象[1]。在大型設備購置前期,加強論證工作是規(guī)范設備購置流程和提高設備使用效益的有效途徑，教育部《高等學校儀器設備管理辦法》規(guī)定，購置貴重儀器設備必須先進行可行性論證。本文以機械傳動國家重點實驗室購置X射線應力分析儀設備為例從購置論證6個方面研究如何更好地開展大型儀器設備購置論證工作。

1 充分體現(xiàn)學科特色

齒輪及其傳動裝置是國民經濟和國防重大裝備所需的關鍵基礎和通用零部件，是衡量一個國家基礎工業(yè)發(fā)展水平的重要標志，其服役特性直接決定裝備的運行性能、壽命、安全性和可靠性。齒輪在熱處理和加工制造過程中，材料內部將產生塑性變形, 由于塑性變形不均勻性將導致材料內部形成殘余應力。①殘余應力可能會導致齒輪在使用期間更容易出現(xiàn)影響服役壽命的變形或翹曲，嚴重者導致開裂等；②殘余應力控制適當,可以用于提高零件的疲勞強度和耐磨性能，從而提高齒輪服役壽命[2]。研究工件的殘余應力在生產工序中的形成過程及最終數(shù)值，并跟蹤其最終的服役壽命，最終建立一套關聯(lián)機制和數(shù)據庫，為相關傳動件的質量控制提供理論和實踐支持具有重要意義。

機械傳動國家重點實驗室針對國家齒輪基礎數(shù)據匱乏和國家重大工程傳動裝置依賴進口等問題，擬建設齒輪基礎數(shù)據測試平臺和特殊環(huán)境下的齒輪傳動系統(tǒng)性能測試平臺，其中對齒輪機加工和熱處理過程應力分析和齒根應力分析需要購置X射線應力儀；重慶市增材制造重點實驗室開展面向航空航天的鈦合金復雜零件增材制造研究，需要分析鈦合金零件制造過程中的應力分布，從而研究其燒結工藝。

因此，購置X射線應力儀對機械傳動國家重點實驗室的發(fā)展和學科交叉具有促進作用，購置理由充分。

2 滿足實際需求并具有良好的前瞻性

根據被測試件是否在測量過程中受到損壞，殘余應力測試的方法分為以機械方法為主的有損測試法和以物理方法為主的無損測試法兩大類。有損測試法是利用機械加工的方法去除零件的一部分，從而釋放部分或全部殘余應力，同時會造成局部位移與應變，通過傳感器測量到這些位移或應變值后可通過力學分析計算出原始存在的殘余應力[3]。典型的有損測試法有鉆孔法、環(huán)芯法、取條法、剝層法等。無損測試殘余應力是利用材料中殘余應力狀態(tài)引起某種物理效應，建立起某一物理量與殘余應力(應變)間的關系，通過測定這一物理量推算出殘余應力。典型的無損測試法有X射線衍射法、中子衍射法、磁性法和超聲法等[4]。

X射線衍射法檢測殘余應力的原理是：理想多晶體在無應力狀態(tài)下,不同方位的同族晶面間距相等，不同晶粒的同族晶面間距隨晶面方位及受到的表面殘余應力大小發(fā)生有規(guī)律的變化,該變化可導致X射線衍射譜線發(fā)生位偏移,根據位偏移的大小計算出殘余應力[5]。與其他方法相比，用X射線衍射法測定應力有許多優(yōu)點:①可測定表層各局部小區(qū)域應力；②可同時分別測得宏觀應力與微觀應力；③可同時測得復相中各相的應力等；④可以借助電解拋光等手段測定應力沿層深的分布?！暗谑螝堄鄳H會議”收錄196篇論文中，使用X射線衍射法進行殘余應力測量研究的為71篇?？梢哉f，在各種測量殘余應力的無損測定方法之中，X射線衍射法因其具有原理可靠，方法完善等優(yōu)勢，被公認為最成熟和最實用的測量方法。

X射線應力測定儀是一種簡化和實用化的X射線衍射裝置，可以用于各種實體工件的測量，而且其機械結構保證了能夠對同一點以不同的φ角、Ψ角進行測試，從而探測織構對殘余應力的影響關系。目前國內外廠商生產的X射線應力儀根據理論算法分為兩大陣營，符合國標GB7704—87、歐標EN15305-2008和美標ASTM E-915的sin2ψ算法陣營，以芬蘭StressTech公司、加拿大Proto公司和我國愛斯特公司為代表；以二維探測器的快速檢測為主要特點但缺乏具體國際支撐標準的cosα算法陣營，以日本PulseTech公司和日本理學公司為代表。

不同原理的設備使用方法、應用范圍、測量特點有些許不同。針對重慶大學機械傳動國家重點實驗室的需求，建議購置的X射線應力分析儀應具有：①能夠無損檢測齒輪齒根殘余應力；②能夠對檢測的應力進行對標分析；③能夠檢測曲率半徑小于1 mm的曲面處的應力；④能夠對鋼鐵、鋁合金、鎂合金和鈦合金材料進行應力檢測。

3 加強調研，充分對比

3.1 理論對比

發(fā)展至今，X射線應力儀從算法上分為算法sin2ψ和cosα算法為標志的兩大陣營，sin2ψ算法陣營滿足歐標、美標、國標的要求；cosα算法陣營從衍射原理上與sin2ψ算法陣營相同，都是通過衍射角和應變之間的布拉格方程關系來計算殘余應力。

(1) sin2ψ算法[6-7]。歐標EN15305-2008對應用X射線衍射法在多晶試樣近表面無損測定宏觀殘余應力的試驗方法進行了詳細介紹。根據彈性力學理論，多晶試樣在角度φ和ψ方向的應變?yōu)椋?/p>

(1)

多晶試樣εφψ值可以通過X射線衍射實驗測定，根據τφ的不同，式(1)可以用

εφψ=Asin2ψ+C，τφ=0

(2)

εφψ=Asin2ψ+Bsin 2ψ+C，τφ≠0

(3)

來表述,其中式(2)中εφψ和sin2ψ為線性關系,式(3)中εφψ和sin2ψ的函數(shù)關系為橢圓曲線。

在曲面或焊縫等表面不平的區(qū)域，或者存在應力梯度和織構等場合，無法假設剪切應力為零(τφ=0)，使用線性算法式(2)則會得到錯誤的檢測結果，應盡可能使用三維應力模型。

(2) cosα算法[8-9]。cosα算法陣營采用了先進的采用先進的全二維探測器技術，二維面探儀在探測器上均勻分布有n個探測頭，可以測得n個衍射角的變化，從而計算出n個方向的應變值，根據

(4)

可以計算出n/4個a1，并代入下式：

(5)

將a1對cosα作偏導，可以計算出材料的殘余應力。

歐標EN15305-2008附錄中補充有對使用二維面探技術檢測應力方法的描述，通過多次曝光，獲取完整德拜錐，在假設剪切應力存在的情況下通過橢圓擬合算法獲得應力值。

(3) 調研情況。通過對芬蘭StressTech公司、加拿大Proto公司和日本PulseTech公司具體產品檢測原理的調研，了解到其中芬蘭StressTech公司和加拿大Proto公司的設備均參照sin2ψ算法，符合國內國際標準；日本PulseTech公司使用二維面探技術，在假設平面應力情況下將德拜錐簡化為德拜環(huán)，通過單次曝光和線性擬合方式快速獲得應力值，故日本PulseTech公司設備對鋼鐵等細晶材料，平面無織構的零件應力檢測具有明顯的高效率和便捷性優(yōu)勢，但在測量應力梯度、織構、粗晶、表面情況不理想等復雜情況的殘余應力時不適用。

3.2 數(shù)據采集方法

歐標EN15305-2008對ω方法、χ方法和修改的χ方法3種常用的數(shù)據采集方法進行了闡述。

(1)ω方法也稱同傾法。即樣品(或測角儀)沿ω軸旋轉，ω和2θ在同一平面上。同傾法具有以下優(yōu)點：①機械結構簡單，測角儀擺動角度β與探測器位置ψ1和ψ2之間的關系是固定常數(shù)；②橢圓擬合方程有解，可同時計算出正應力和剪應力；③對定高精度要求不高，測量重復精度高；④在測量圓柱形表面時可使用長方形準直器，在不降低測量精度的情況下增加曝光面積，獲得更強的衍射峰信號，提高測量精度。同傾法也存在一定的局限性，在探測器在擺動方向受阻時，需用其他方法。

(2)χ方法也稱單探測器側傾法。即X射線入射角和衍射角對稱于樣品法線的兩側，測角儀平面垂直于被測應力方向，因此存在正負ψ角補償時的散焦效應是相同的優(yōu)勢。但該方法在機械原理上較為復雜，甚至需要額外的設備(如搖架)來實現(xiàn)。

(3) 修改的χ方法也稱雙探測器側傾法。即樣品沿一個垂直于ω和2θ的平面上的χ軸旋轉，在χ=0 時，入射光垂直于試樣表面， 對應的ω=90°。兩個探測器對稱放置在入射光束的兩側。基于方法的設備機械結構簡單，多用于便攜式機型。但是，修改的χ法存在嚴重的缺陷：①完整應力方程無解，不能同時計算出正應力和剪應力，只能測量平面應力，無法測量三維應力，可能會在沒有預警的情況下給出錯誤結果；②由于兩個探測器采集到不同的衍射晶體樣本，因此在測量有織構的或大晶粒尺寸樣品時可能會出現(xiàn)問題，因此修改的側傾法不適合測擠壓成型件、 焊縫等；③對定高精度要求高，測量重復精度差。

芬蘭StressTech公司和加拿大Proto公司的設備均能使用同傾法和雙探測器側傾法，但兩公司各有所側重，芬蘭StressTech公司主要使用雙探測器側傾法檢測應力，加拿大Proto公司主要使用同傾法檢測應力。

3.3 X射線應力儀影響檢測的關鍵的因素

3.3.1 X射線的選擇

準確測定殘余應力的關鍵是選擇正確的X射線管陽極和X射線束波長[6]。選擇X射線時，應考慮：①衍射峰有足夠的強度，使探測器更容易獲?。虎诎蜒苌浞宄霈F(xiàn)的2θ角越大應力測量精度越高；③能有效拉開Kα和Kβ峰的距離；④測量鈦合金材料時考慮雙峰干擾問題，歐標推薦采用銅靶X射線管；⑤在條件允許的情況下盡量選用較寬的探測器以避免出現(xiàn)峰形不完整帶來的誤差。

3.3.2 測試材料的影響

鋁樣本常常存在晶粒不均勻的特性，測量時需要采用以下方法解決：①使用大尺寸光縫；②增加β軸和α軸的搖擺；③如果材料表面是平的，則增加X軸和Y軸的搖擺。

3.3.3 齒根殘余應力檢測關鍵因素

(1) X射線光斑尺寸和形狀。齒根位置位于齒面和齒底過渡處，為減小齒根表面形狀(彎曲表面導致X射線散射)對殘余應力測量精度的影響，需要采用較小尺寸的圓形或長方形光斑。如果要測量曲率半徑為0.5 mm的齒根表面軸向的殘余應力并達到5%的測量精度，必須使用0.2 mm或更小的光斑。由于小的光斑產生的衍射峰較弱，必須采用大功率應力儀。當照射寬度小于1/3齒根曲率半徑時，可以忽略曲面衍射效應的不利影響[8]。

(2) X射線焦距大小。無損測量齒根殘余應力時，受到兩齒間距的約束，越靠近齒根越狹窄，越靠近齒頂越寬闊，因此X射線的焦距越大，越容易檢測。

(3) 沿深度方向齒根殘余應力的分布。除了測試齒根表面的殘余應力外，沿深度方向齒根殘余應力的分布需要配備相應的腐蝕剝層設備才能測量，同時需要修正去除材料后產生的應力松弛。

3.3.4 擬購設備售后服務及應用支持情況

在高校儀器設備的購置過程中，應注重優(yōu)化產品與服務并行的采購評價體系，將儀器設備采購變?yōu)橛布头盏木C合產品[1]，從而更高效的利用儀器設備，更好的服務科研工作。某公司的探測器標配提供四年售后質保服務，其他公司探測器標配提供1年售后質保服務。

芬蘭Stresstech公司、加拿大Proto公司和日本PulseTech公司在X射線應力儀領域均為國際知名公司，在國內多家高校企業(yè)均有用戶，并在國內大中城市設有辦事處，售后服務有保障。但通過對實際調研過程中與公司技術人員的交流，可以適當反應出國外公司的售后服務能力的差異，特別加拿大Proto公司的中國總代愛派克測試技術(上海)有限公司在提供設備銷售服務的同時還能提供殘余應力代測試服務，間接反映了公司的應用支持能力。

4 實地考察，試驗驗證

X射線應力分析儀屬于技術含量較高、專業(yè)性較強的儀器設備，為了能夠準確把握各廠商設備的技術性能和參數(shù)，避免出現(xiàn)擬采購設備性能指標與實際需求存在較大偏差的現(xiàn)象，可以通過組織有關專家進行論證會的形式討論，必要時應進行現(xiàn)場實地考察[11-12]，甚至進行試驗驗證。

機械傳動國家重點實驗室組織相關人員赴長沙、湘潭、上海、重慶等地進行用戶拜訪、實地考察，并通過現(xiàn)場測量凸輪軸軸瓦應力、齒輪齒面齒根應力、鈦合金標樣應力，驗證設備的實際性能?，F(xiàn)場對不同工件不同部位的殘余應力檢測結果如表1所示。

5 安全環(huán)保隱患及應對措施

近年來，高校安全事故時有發(fā)生，實驗室爆炸、有毒氣體泄漏、惰性氣體窒息、火災等安全責任事故屢見不鮮，高校設備采購作是實驗室設備安全管理的前端[13]。因此，在設備購置論證環(huán)節(jié)也要充分考慮輻射、生物、化學、激光、用電、用氣、機械、通風、人身、儀器設備安全等安全環(huán)保隱患及應對措施。

表1 對不同工件不同部位的殘余應力檢測結果

X射線應力分析儀涉及到輻射安全范疇，購置時應隨機配置輻射計量儀器，動態(tài)監(jiān)控設備運行時的輻射劑量，充分保證實驗人員人身安全。同時就X射線應力分析儀本身而言，應盡量隨機配置實驗室鉛玻璃防護罩，進一步保證輻射安全防護?？紤]到設備使用時的環(huán)評要求，購置時盡量選擇由省部級環(huán)境保護局出具過豁免文件的儀器設備。

6 擬定設備主要功能及技術指標

技術指標主要是指設備的技術性能參數(shù)和招標方的使用要求，應根據教學和科研實際需求提出, 符合經濟適用原則[14]。①技術指標描述應突出和明確關鍵技術指標，簡明、清晰的技術指標有利于向供應商傳遞準確的需求信息，也有利于后期合同的簽定和避免合同執(zhí)行糾紛。②技術指標要明確量化, 盡量以定量比較取代定性比較，避免因人為的主觀因素造成評價尺度的偏差[15-17]。

技術指標中還需要設置實質性星號條款，但是過多地設定不合理的甚至排他性的實質性星號條款沒有必要，還容易導致廢標、無效標，從而影響儀器設備的購置[18]。技術要求是否作為星號條款應根據實際情況酌情設置，設定星號條款時應保證符合全部星號條款的投標人至少滿足法定的3家及以上。

通過購置論證，機械傳動國家重點實驗室對X射線應力分析儀購置在以下幾方面設置了星號條款：測試材料、滿足標準、成熟產品、測量精度、測量方法、最小準直器、三軸樣品臺、安全防護、配置情況、探測器保修年限。

7 結 語

加強大型儀器設備購置論證工作,能夠提高大型實驗儀器的使用效益,有效避免重復購置、配套不完善、選型不準確、使用條件不合理、運行維護經費不到位、無法開放共享等情況的發(fā)生。本文基于X射線應力分析儀的購置論證實例采購理由充分、選型準確具有前瞻性、調研過程詳實、現(xiàn)場考察試驗數(shù)據可信、充分考慮環(huán)保要求、技術指標設置合理，對其他高校購置X射線應力分析儀具有一定的參考價值。