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表面喷丸强化与X射线衍射残余应力分析

★更新时间:2020-06-19 15:27☆来源:未知 ☆作者:网站管理员 ☆已浏览:
  

表面喷丸强化与X射线衍射残余应力分析

喷丸强化的机理

在结构设计合理的前提下,各种零部件的使用寿命主要取决于它的疲劳强度。而零部件疲劳断裂(高周或低周疲劳)的疲劳源绝大多数情况下萌生于表面。因此,金属材料或零件的疲劳断裂抗力(Fatigue fracture resistance)首先取决于表面状态。表面喷丸强化就是目前行之有效、应用广泛的表面处理方法。

喷丸后零件表面状态对强化的作用应该从以下三方面考量:

第①,宏观的表面纹理和粗糙度(Surface roughness)。表征表面粗糙度的参量Ra值越大,则材料/零件的疲劳断裂抗力越低;在Ra值较大的情况下,其纹理方向性越强、纹理方向与受力方向夹角越大,则材料/零件的疲劳断裂抗力亦越低。

第②,表面的微观组织结构(Microstructure)。在喷射丸粒的密集撞击作用下,表面的微观组织结构必然发生剧烈变化,使之与材料内部不同。这里包括晶格滑移、点阵畸变、位错增生、位错包的形成,甚至还可能包括相变(例如残余奥氏体因形变而转变为马氏体),还可能引起表层的合金元素贫化(Delution of alloying element)或外部元素的渗入(Penetration of external)等等。在X射线衍射分析中,晶体滑移、点阵畸变、位错增生均会引起衍射峰的宽化和弥射化,表征这一现象的参数是衍射峰半高宽B。研究表明,微观组织结构的变化对材料或零件的疲劳断裂抗力有着显着的影响。

第③,表面塑性变形(Plastic deformed structure)导致表层晶格发生统计的倾向性弹性应变,从而产生宏观内应力,即残余应力(Residual stress)。在X射线衍射分析中,残余应力会引起衍射峰的偏移。研究表明,在大部分情况下,适当的残余压应力是提高零件疲劳强度的主要因素,而它的大小和沿层深分布状况,对材料或零件的疲劳断裂抗力有决定性的影响。

因此,对喷丸强化的材料和零部件进行X射线衍射分析,测定残余应力及其沿层深的分布,同时读取半高宽B的变化,是检验、评价和分析喷丸强化工艺效果不可或缺的手段、

1.X射线残余应力分析的原理与方法

测量原理基于X射线衍射理论。

当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时,会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值(即所谓衍射峰),这便是X射线衍射现象(如图3所示)。X射线的波长λ、衍射镜面间距d和衍射角2λ之间遵从注明的布拉格定律:

2d  Sinθ = n λ(n = 1,2,3...)

在已知X射线波长λ的条件下,布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。

X射线应力测定基本的思路是把与宏观应力σ对应的宏观应变ε看成是相应范围内晶格应变的统计效应;而晶格应变即晶面间距d的相对变化Δd/d,可以根据布拉格定律,通过衍射实验求出。这是俄国学者阿克先诺夫(Akcehob)于1929年提出的。又经历了三四十年,德国学者E·马赫劳赫(E.Macherauch)提出sin2ψ法,才把这一思路变成成熟的、可操作的测试方法。

对于晶粒细小,无织构的多晶材料,在一束X射线照射范围里会有许许多多晶粒,它们的结晶学方向是充分紊乱的,所选的的(hkl)晶面处于空间任何方向的机会均等;但是在材料中存在应力σ的情况下,处于不同方向的(hkl)晶面,其晶面间距d会有所变化;如果在不同方向上作得的衍射角2θ也会随之而变。令衍射晶面法线与试样表面法线之夹角为ψ,根据弹性理论和布拉格定律,可以推导出:

σ = K·M

M = ∂2θ/∂sin2ψ

式中K为应力常数,

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中σ为应力值,K为应力常数,2θ为对应于各ψ角的衍射角测量值,M即2θ对sin2ψ

的变化斜率(如图4所示),由布拉格定律可知它反映的就是晶面间距d随衍射晶面方位角ψ的变化趋势和急缓程度。在图4中2θ随sin2ψ增大而增大,说明d随之减小,显然是压应力。

这样看来,X射线应力测定的实质任务就是选定若干个ψ角,测定它所对应的衍射角2θ,然后计算2θ对sin2ψ的斜率M,再乘以应力常数K即应力值σ。

2.X-350A型X射线应力测定仪的功能特点

3.X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法,侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性;从另一角度分类又分为固定ψ0 法和固定ψ法,后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来,即在侧倾的条件下实施固定ψ法便会产生喜人的新特点——吸收因子恒等于1。这就是说,不论衍射峰是否漫散,它的背底都不会倾斜,峰形基本对称,而且在无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化(如图5所示)。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以行家们一致认为侧倾固定ψ法是理想的测量方法。

X-350A型X射线应力测定仪(图6),以θ-θ扫描ψ测角仪为主要特征,完美地实现侧倾固定ψ法,其功能特点如下:

(1)X-350A型仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计,使得在2θ平面上的X光管和探测器同时等速相对而行,严格满足固定ψ法的几何要素;另外又使2θ平面与ψ平面相互独立并始终处于相互垂直状态,这样便准确无误地实现了侧倾固定ψ法,同时保持结构简洁灵活轻便的特点。

(2)2θ扫描范围:120°—170°,测定应力既可利用高衍射角又可利用低衍射角。这样,除适用于铁素体型钢和铸铁材料之外,还为奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金以及高温合金、硬质合金等材料的应力测定带来方便并可提高测量精度、侧倾固定ψ法另一特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性。

(3)该仪器测角仪的衍射几何为聚焦发。如图7所示。在X射线管和X射线探测器以θ-θ方式沿测角仪圆扫描过程中,X光源点、试样上被照射点和探测器接受点,三者随时同处在一个聚焦圆上,当然,随着扫描过程,聚焦圆的大小是逐步变化的。聚焦法的优点是从一个点光源发射出来的X射线,照射到被测工件的一定区域,反射线会准确地聚焦到探测器的窗口,衍射线能量集中,测试精度高。

(4)测定残余奥氏体含量方便、快捷、准确。该仪器2θ扫描范围120°—170°,故而在一次扫描中可以得到αFe(211)、γFe(220)两个完整的衍射峰,无需另外安装延长扫描范围的附件,亦无须在测试过程中人为移动探测器的位置或X射线入设方向。而且可以针对同一测试点取不同的φ角、ψ角进行测定,以便探测织构的影响。必要时,可以做到残奥含量和残余应力同时测定,亦即一次测量得到残奥含量和残余应力两项数据。这些都是该仪器独有的功能,对于各种实体工件具有可贵的实用价值。

(5)支架与测角仪之间装备了针对同一测试点阻焊φ角的连接机构,因此可测定主应力的大小及其方向,并可测定剪切应力。

(6)采用十字激光和点状激光相配合构成的激光定位器,使得确定测试点的位置、校准照射距离和垂直度,准确快捷而方便,能够明确指示测点位置和待测应力的方向。

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