表面完整性評價與檢測方法研究

宋策

摘 要：本文以航空發(fā)動機領域表面完整性技術(shù)為重點，詳細介紹了表面完整性數(shù)據(jù)檢測的方法手段病做了簡單的對比，為后續(xù)系統(tǒng)開展表面完整性檢測、評價研究提供技術(shù)基礎。

關(guān)鍵詞：表面完整性數(shù)據(jù)組；表面完整性評價方法；表面特征檢測方法

1 引言

美國最先提出了三個級別表面完整性數(shù)據(jù)組，頒布了表面完整性國家標準，建立了完善的表面完整性表征與檢測體系，西方先進航空發(fā)動機企業(yè)，如RR、GE等，在前期大齡數(shù)據(jù)積累的基礎上，已經(jīng)形成了比較完善的標準規(guī)范體系，采用驗收標準+實驗室檢測的方式，詳細規(guī)定了零件表面完整性表征數(shù)據(jù)的驗收標準、檢測方法及操作規(guī)范，因此可以在最大程度上保證檢測結(jié)果的準確性和一致性，使零件表面完整性控制具備良好的研究基礎。

2 表面完整性評價方法

Field和Kahles 在1972年詳細論述了表面完整性的定義以及它的重要性，總結(jié)了被加工零件當時所面臨的諸多表面完整性問題，并首次強調(diào)指出：傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)加工工藝將會使合金表面和表層產(chǎn)生塑性變形、微觀裂紋、相變、顯微硬度、撕裂和裂紋、殘余應力等冶金學變化。他們提出了三個級別表面完整性數(shù)據(jù)組，包括最小數(shù)據(jù)組標準數(shù)據(jù)組和擴展數(shù)據(jù)組。其中，最小數(shù)據(jù)組是一種最經(jīng)濟的表面完整性描述方式；標準數(shù)據(jù)組為重要的應用提供詳細的數(shù)據(jù)；擴展數(shù)據(jù)組增加了疲勞試驗、應力腐蝕以及補充的機械試驗等。

3 表面特征測量方法

3.1 表面粗糙度

表面粗糙度的主要測量方法有比較法、印模法、接觸測量和非接觸測量。以TR240表面輪廓儀測量為例。當采用表面輪廓儀測量試件表面粗糙度時，取樣長度L=0.8MM，評定長度LN=5XL=4.0MM。取樣長度L是用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準線長度，等于表面輪廓儀的截取長度，它可以限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響。長度LN是評定輪廓所必須的一段長度，通常包括5個取樣長度。采用接觸式測量時更要注意，只顯示粗糙度值得電子儀器對于不同特征的表面輪廓所測到的粗糙度值卻幾乎相同。

3.2表面紋理

采用接觸式測量時，對不同表征的表面輪廓可能測到同樣的粗糙度值。通過白光干涉測量法和原子力顯微鏡法等非接觸測量方法，可以測到放映表面紋理的三維表面形貌圖。

3.3 微觀組織測量法

微觀組織的觀察主要利用透射電鏡、電子探針、掃描電鏡、X射線光電子譜儀及高分辨率電鏡等儀器對相變、晶粒大小和晶粒分布的變化、晶格畸變、再結(jié)晶等進行拍照，獲得一系列照片。在進行微觀組織測量中，金相試樣的制備應不改變或不損壞所需表面的特性狀態(tài)，并保持完好的邊緣。金相試樣制備包括試件的截取、鑲嵌、拋光和其他相關(guān)技術(shù)。

3.4顯微硬度測量方法

3.4.1 接觸式測量方法

硬度測定是指一定形狀和尺寸的較硬物體（壓頭）以一定壓力接觸材料表面，測定材料在變化過程中所表現(xiàn)出來的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性變形的能力，有的硬度表示材料抵抗彈性變形的能力。通常壓入載荷大于9.81N時測試的硬度叫宏觀硬度，壓力載荷小于9.81N時測試的硬度叫微觀硬度。前者用于較大的尺寸試件，反應材料的宏觀范圍性能；后者用于小而薄的試件，反應微小區(qū)域的性能，如顯微組織中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。

顯微硬度的測量原理與維氏硬度一樣，也是用壓痕單位面積上鎖承受的載荷來表示的。只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測量顯微組織中各相的硬度。顯微硬度測試用的壓頭有兩種：一種和維氏硬度一樣的兩面之間夾角為1360的金剛石正四棱錐壓頭。

3.4.2 X射線法測試顯微硬度

用X射線法測量表層硬度變化有較高的準確性。這種方法的基本原理是：X射線光束照在多晶體金屬表面后，由于晶體的原子面反射在照相底片上就出現(xiàn)干涉環(huán)系。若已知X射線的波長，則根據(jù)干涉環(huán)的直徑大小就可以求出原子面之間的距離。金屬塑性變形時，變形的金屬組織將反映在X光圖上。若表面層沒有產(chǎn)生塑性變形，則干涉線是點狀弧線；若發(fā)生塑性變形，則晶粒破碎會使這些點增大而成為實線；當引起殘余應力的金屬晶格中晶格參數(shù)發(fā)生變化時，干涉線就會發(fā)生位移，而弧線的寬度是由晶粒的大小決定的。

3.5殘余應力測量方法

殘余應力的測定方法大致分為機械測量法和物理測量法兩類。物理測量法包括X射線法、磁性法、超聲波法等。他們分別利用晶體的X射線衍射現(xiàn)象，材料在應力作用下的磁力發(fā)生變化和超聲效應來求的殘余應力的量值。他們是無損的測量方法，其中X射線法使用較多，比較成熟，被認為是物理測量方法中較為精確的一種測量方法。磁彈性法和超聲波法均是新方法，尚不成熟，但普遍認為是有發(fā)展前途的兩種測試方法。物理法的測試設備復雜、昂貴、精度不高。特別是應用于現(xiàn)場實測時，都有一定的局限性和困難。

機械方法包括切割法、套環(huán)法、鉆孔法等，他是把被測點的應力給予釋放，并采用電阻應變計測量技術(shù)測出釋放應變而計算出原有殘余應力。殘余應力的釋放方法是通過機械切割分離或鉆一盲孔等方法，因此它是一種破壞性或半破壞性的測量方法，具有簡單、準確的特點。

從兩類方法的測試功能來說，機械法一測試宏觀殘余應力為目的，而物理方法測量宏觀與微觀應力的綜合值。因此兩種方法測試結(jié)果一般來說有區(qū)別。

用X射線法測量殘余應力是一種發(fā)展趨勢。X射線應力測定方法的基本原理是利用X射線的穿透晶粒時產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，在應變作用下，引起晶格間距變化，使衍射條紋產(chǎn)生位移，根據(jù)位移的變化即可計算出應力來。

3.6疲勞強度試驗方法

疲勞強度試驗主要獲得疲勞壽命、疲勞強度、S-N曲線。對于某種工藝的疲勞性能的考核，最直接的方法是疲勞強度試驗方法?？梢圆捎脴藴势谠嚰闹谱鞣椒ㄟM行疲勞試驗，亦可以針對具體情況采用非標準試件進行相應的疲勞試驗。

3.7應力腐蝕試驗方法

應力腐蝕裂紋是直接影響零件使用性能的最主要因素之一。但應力腐蝕試驗比較復雜，至今尚無簡單的評價方法得出可以比較的數(shù)據(jù)。材料的材質(zhì)與性能、加工過程、金相狀態(tài)、能量等級、有效應力以及周圍的液體和氣體等眾多因素的可能組合的數(shù)量無法計算。因此，應該針對每一種應用的具體情況作出分析，并經(jīng)過周密組織的試驗加以評價。

4總結(jié)與展望

表面完整性作為零件抗疲勞設計、制造的基礎，其表征數(shù)據(jù)的評價方式和測量方法至關(guān)重要，是表面完整性控制手段研究的技術(shù)基礎。目前，國內(nèi)外對于表面完整性檢測方法的研究尚處于分散狀態(tài)，應盡早啟動該項工作，形成自身技術(shù)體系，規(guī)劃發(fā)展。

參考文獻：

【1】高玉魁.表面完整性理論與應用.學術(shù)著作.

【2】張華.機械加工表面完整性研究.學術(shù)期刊.工業(yè)技術(shù).2015年第30期.

【3】張定華、姚倡峰.機械加工零件的表面完整性.學術(shù)著作.