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      不同X射線衍射方法測量水下激光噴丸殘余應力的對比研究

      2020-05-18 11:37:18

      為了提高疲勞強度和疲勞壽命,我們可以使用很多機械的表面處理方法,例如常規拋噴丸強化、激光噴丸強化、水射流強化、空化強化等。提高疲勞性能的一個很重要因素是殘余壓應力,此外,焊接或機加引起的殘余拉應力會導致應力腐蝕開裂。因此,殘余應力的評估就顯得很重要。


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      殘余應力評估常用的一種手段是X射線衍射法(XRD),包括sin2Ψ、cosα和2D法等。每種方法都有各自的理論,同時也有不同的優缺點。有研究表明,在測量SM490鋼的殘余應力時,cosα和sin2Ψ的結果相近,但測SUS 316L鋼時結果不同。

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      結論是,SUS 316L鋼的不同結果是由于不同的X射線管導致的(譯者注:用Cr靶X射線管測奧氏體不銹鋼時,采集的是311晶面上比較弱的Kβ特征峰信息(此晶面在Cr輻射下無Kα峰信號),因為cosα法儀器功率通常比較低(如40瓦),信號質量差應該是測量結果不同的主要原因。有鑒于此,歐盟和中國X射線衍射殘余應力標準都注明用Mn靶X射線管采集奧氏體不銹鋼311晶面上的較強的Kα特征峰信息)。在采用XRD方法的時候,大晶粒組織、織構材料和深度梯度的應力比較難測。進行激光噴丸和空化噴丸時,會隨機產生一些塑性變形。

      因此,由此引入的殘余壓應力會相反地產生一些等軸應力。另一方面,激光噴丸將系統性的引入塑性變形,這有可能產生織構和各向異性的應力,從而進一步提高殘余應力測量的難度。

      論文中,為了對比殘余應力評估的不同XRD方法,樣品采用水下激光噴丸來進行處理,評估手段包括sin2Ψ、cosα和2D法。

       

      水下激光噴丸

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      1顯示的是水下激光噴丸系統。據報道,氣泡潰滅在材料上產生的沖擊比激光燒蝕還要更大。論文中,激光燒蝕后的氣泡被稱為激光空化,因為氣泡潰滅后的沖擊與空化氣泡相同。傳統水下激光噴丸采用的是Nd:YAG二次諧波激光,例如532nm的波長,以避免水介質所帶來的衰減。然而,由于熱集中的緣故,本實驗在研究氣泡動力學時采用的是一次諧波,例如1064nm的波長。我們在zui佳的噴射距離上才能使用到一次諧波,因為40%的輸出功率已經損失掉,用以獲得Nd:YAG二次諧波激光。請注意,我們已經證明,采用Nd:YAG二次諧波的水下激光噴丸可以在合金工具鋼上引入殘余壓應力。zui大能量、脈沖寬度和頻率分別是0.35J、6ns和10Hz。圖2顯示的是通過高速攝影機觀察到的激光空化和燒蝕形態,圖3顯示的是和高速攝影機同步記錄到的PVDF傳感器上的輸出信號。激光燒蝕后,會產生氣泡并擴展、收縮,在1ms的時候潰滅,然后回彈。如圖2和3所示,波長為532nm,沖擊同樣由激光燒蝕在0ms的時候產生,激光空化也是在1ms的時候潰滅。請注意,激光空化產生的沖擊比激光燒蝕大1.3倍。

       

      X射線衍射(XRD)殘余應力評估

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      本次實驗中,我們使用JIS SKD61和SUS316L合金工具鋼進行殘余應力的測試。圖4顯示的是激光噴丸和應力的方向。對于JIS SKD61,其在1073K溫度下加熱80分鐘,1223K下10分鐘,1298K下1.5小時,然后用氣體淬火,并在823K下回火2小時,793K下2小時。SKD61的表面經過拋光,而針對SUS316L,回火板的表面沒有處理。

      本次實驗中,殘余應力用2D、cosα和sin2Ψ方法進行計算。所有方法中,XRD都是用Cr靶的K α射線。對于2D和sin2Ψ法,也是采用同樣XRD的2D探測器。而SUS316L的2θ衍射角,α-Fe(211)晶面是156度,γ-Fe(200)晶面128度。

      5顯示的是電化學腐蝕后,用2D、cosα和sin2Ψ方法計算的SKD61沒有噴丸、激光噴丸和有鋁片的激光噴丸情況下,殘余應力沿深度的變化曲線。

      如圖5(a)所示,拋光時引入了殘余壓應力,因此,激光噴丸前,我們通過電解拋光去除了大約100μm厚的表面層。激光噴丸時,樣品以4脈沖/mm2處理了2次,也就是說,總的脈沖強度是8脈沖/mm2。作為參考,在212μm深度樣品的殘余應力如表1所示。σRx值差異很大。在2D法中,σRx 和σRy’接近。而sin2Ψ法,σRx 比σRy’稍大。對于cosα,σRx 比σRy’大很多。

      5(b)所示,沒有鋁片的激光噴丸情況下,近表面的是殘余拉應力,但在大于30μm的地方,存在壓應力。在150-200μm的地方,與未噴丸的樣品相比,其壓應力值大約為400-500MPa。而在有鋁片的激光噴丸情況下,在表面和深度區域都是壓應力。使用的鋁片是80μm的黑鋁。噴丸帶來的殘余壓應力大約是300MPa,即使脈沖強度是8脈沖/mm2,單個脈沖的能量只有0.35J。同時,噴丸后樣品的應力用不同XRD計算的變化趨勢和未噴丸的很類似。

      為了研究不同計算方法得到的殘余應力為何有差異,圖6顯示了SKD61有鋁片的激光噴丸和8脈沖/mm2的情況下,在400μm的深度上,sin2Ψ和2θ的關系。

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      7顯示了沒有噴丸的SKD61在380μm的深度上,cosα-εα1的關系。如圖6所示,sin2Ψ和σRy 2θ接近線性關系,而σRx 卻呈波形。這就是用sin2Ψ方法計算得到的殘余壓應力σRx小于2D法的原因。由于+Ψ和Ψ的趨勢接近,這不可能是Ψ引起的。評估sin2Ψ和2θ的斜率關系。因此,當sin2Ψ和2θ不為線性關系的時候,殘余應力值有可能是不正確的。請注意,我們有必要通過測量+Ψ和-Ψ的方向來確認sin2Ψ和2θ的關系。如圖7所示,σRy的cosα和εα1關系接近線性,而σRx的卻是曲線。這就是用cosα法計算得到的σRx殘余應力為拉應力而sin2Ψ和2D卻是壓應力的原因。采用cosα法的時候,我們是通過cosα和εα1的斜率來計算殘余應力的。因此,如果cosα和εα1不是線性的,得到的殘余應力就值得存疑了。也就是說,采用cosα法時需要對cosα和εα1的關系進行確認。

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      如圖5(a)-(c)所示,在150-200μm的深度范圍上,不同XRD計算方法之間的差異很明顯。在150-200μm,每個得到的值卻很穩定。這也就是說,其中的差異由計算方法決定,而不受深度值影響。請注意,每種方法使用的X射線管都相同,為Cr靶。

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      為了研究sin2Ψ-2θ和cosα-εα1的波形圖,圖8上顯示了沒有噴丸的SKD61在380μm的極圖。如圖所示,測量的材料是不均勻的,也就是說,材料存在織構。這也就是不同方法得到的殘余應力存在差異的原因所在。為了對比激光噴丸后,不同方法評估殘余應力之間的差異,表2顯示了2D和sin2Ψ法得到的值。樣品JIS SKD61在沒有鋁片的情況下進行了100脈沖/mm2

      的處理。激光噴丸后,通過電解拋光去除了39μm的表層。如表2所示,sin2Ψ法計算得到的σRx和σRy殘余壓應力都比2D法的要小100MPa。換句話說,2D法得到的σRx和σRy殘余壓應力比sin2Ψ的分別大122%和140%。

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      結論

      為了比較殘余應力評估的不同XRD方法,我們采用水下激光噴丸對合金工具鋼進行處理,并用sin2Ψ、cosα和2D法對殘余應力進行評估。得到的結果值存在差異,特別是在材料存在織構的情況下。激光噴丸時,可能會由于系統性的塑性變形而導致產生織構。當采用sin2Ψ和cosα計算方法的時候,需要確認sin2Ψ和2θ以及cosα和εα1的關系是不是線性的。

      (譯者注:對作者本文中發現的問題,歐盟、美國和中國的X射線衍射殘余應力測量標準都有說明,即在樣品有粗晶、織構、應力梯度較大以及表面曲率半徑較小的情況下,垂直于樣品表面的剪切應力τ13和τ23不等于零,應變(應力)與sin2Ψ或cosα呈非線性關系,此時sin2Ψ法需要采集多個Ψ角度(9個以上)進行橢圓擬合,cosα法需要采集多個傾角( F 、Z和 M 數據組)來計算應力,前者功能已經在大多數sin2Ψ法X射線應力儀上實現,后者目前只能在部分使用面陣探測器的實驗室X射線衍射儀上完成。)

      致謝

      這篇論文得到了JSPS KAKENHI 17H03138號的部分支持。我們感謝日本東北大學的M.Mikami先生對本實驗的幫助。

      本論文原文為英文,中文翻譯由昌宇應力技術(上海)有限公司林進軍完成

      譯者參考文獻:

      · EN15305-2008 Nondestructive TestingTest Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction

      · ASTM E915-10 Standard T e s t M e t h o d f o r Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction I n s t r u m e n t a t i o n f o r R e s i d u a l S t r e s s Measurement

      · GB/T 7704-2017《X射線應力測定方法》


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