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      殘余應力測量方法的準確性

      2020-11-24 14:40:48

      殘余應力的準確測量既具挑戰性又費時,多年來人們嘗試了許多方法,取得了不同程度的成功。了解應力關鍵部件的殘余應力狀態對于確保零部件的性能、安全性和質量具有極其重要的作用。本文將對比幾種殘余應力測量方法的準確性。

      在許多測量效率較低的方法中會對多個參數進行測量,但只有一個可作為感興趣的參數,因此很難將結果分離開來。測量殘余應力Z有效的方法是提供可用于延長零部件壽命的直接定量數據。如下所示,X射線衍射法是一種可靠且常用的方法,它可提供清晰準確的零部件表面及其附近的殘余應力數據。這些信息可用來查明和解決與應力有關的問題,如開裂和疲勞問題。

      MFN 1-1.pngMFN 1-2.png

      1:螺旋彈簧在Proto LXRD上進行X射線衍射殘余應力測試


      殘余應力測量方法

      超聲波法:材料中的聲速隨應力的變化而變化[1,2]。這種變化的幅度是微觀結構(如硬度、晶體結構、位錯密度、成分和相的呈現)決定的。由于在制造過程中采用的工藝(如熱處理或拋噴丸強化),組件中的微觀結構特征可能會發生變化,因此,應當在與測量對象相同的材質上進行校準,這一點非常重要。要做到這一點并不容易,因為不可能完全復制具有相同微觀結構的材質。超聲波測量的深度取決于使用的頻率,其空間分辨率在毫米量級。所測得的應力是穿過聲波取樣厚度的平均值。不過測得的殘余應力難以與其他被測量的參數分離開來,因此這種方法屬于定性法,而我們需要采用定量法進行校準。

      巴克豪森效應:當磁場作用于鐵磁樣品時,疇壁位移越過晶格缺陷時會產生類似噪音的信號??墒褂镁€圈檢測信號強度[3]。當存在拉應力時,噪聲強度增加;當存在壓應力時,強度減小。材料的微觀結構對巴克豪森噪聲有很大的影響;因此,與超聲波法一樣,巴克豪森殘余應力測量結果是定性的。此外,該方法僅適用于鐵磁材料。

      渦流測量法:在此方法中,用傳感器線圈檢測有應力材料的阻抗(或電導率)變化;然后此信號會被轉換成電壓[4]。由于測量結果對化學成分、微觀結構、冷加工、硬度、表面粗糙度和溫度極為敏感,因此這種方法可應用的材料種類有限[5,6]。殘余應力變化引起的信號變化與微觀結構變化引起的信號變化相比,通常非常小,幾乎無法察覺。

      上述三種方法都有明顯的局限性,其測量數據不足以提高關鍵零部件的質量或安全性。下面要討論的方法通??商峁└杏玫亩繙y量的殘余應力數據。

      切分法:當組件被切成小塊時,殘余應力會達到平衡??赏ㄟ^使用電阻或附加在組件上的其他類型的應變儀,或通過物理測量變形結果來監測應變釋放。切分法通常用于提供散狀物品的殘余應力變化趨勢。對于復雜的幾何形狀,該技術需利用有限元分析來預測組件形狀的影響[5]。輪廓法是一種新型的切分法,它通過觀察切削后的零件平面的變形來推斷與切削平面垂直的原始殘余應力。此方法需要建立數學模型。切分法的缺點是它需要破壞測量對象,以及在近表面和表面位置的靈敏度差。

      不銹鋼丸

      2:鉆孔前的金屬樣品(帶應變花)

      不銹鋼丸

      3:衍射圖示



      鉆孔法:本方法通過在樣品表面粘貼應變花,并在其中間鉆一個小孔,產生局部應力釋放。小孔直徑一般為1-3毫米,測量深度一般限制在直徑的一半。小孔鉆好后,應變計檢測小孔周圍材料的應變釋放??赏ㄟ^測量應變,進而計算出鉆孔前材料的殘余應力。此計算可基于整個鉆孔深度內的平均值或鉆孔深度增量的平均值[7]。這種方法對于具有線性彈性的材料的測量準確性很高,但是,當應力大于屈服應力80%時,由于鉆孔可能導致局部塑化,這種方法具有破壞性,無法正確量化應力[8]。

      中子衍射法:晶體平面之間的距離(d-間距)可用作應變計:當材料處于拉伸狀態時,d-間距增大,當材料處于壓縮狀態時,d-間距減小。檢測儀可測量因材料中的殘余應力而產生的衍射角位置(峰位)的變化[5]。通過試驗測量衍射角,然后利用布拉格定律計算d-間距:

      nλ=2dsinθ        (1)

      當粒子(如中子、電子或光子)從晶體晶格中的原子中散射出來時,就會產生衍射,而穿過材料的光程差是光源波長(λ)的整數倍(n)。

      中子衍射法只能應用于晶體材料。如果d0(無應力晶格間距)已知,則可準確確定三軸應力。根據材料的不同,中子的穿透深度為毫米到厘米量級,且所有測量都在表面以下進行。雖然這種方法有效,但它不便于攜帶或使用不便,而且它不能測量表面應力。

      X射線衍射法:與中子衍射法類似,X射線衍射法利用d-間距來計算殘余應力。但是,由于X射線的穿透深度在5-30微米之間,X射線衍射法可準確地量化材料表面及其附近的應力,這對于提高組件的疲勞壽命至關重要[2,5,9]。X射線衍射法便于攜帶,可用于現場應力測量。此外,它是無損性的測量方法,因此可重復測試,且被測組件測試后仍可繼續使用。與中子衍射法不同的是,測量過程中可以很容易地取得d0的近似值,為Z終結果帶來的誤差極小(0.1%)。




      4:使用便攜式Proto iXRD測量渦輪葉片的殘余應力


      由于此方法的準確性高、易于操作以及可在表面測量的優勢,X射線衍射法是了解疲勞壽命、應力腐蝕開裂和表面強化等信息的Z有效的殘余應力測量法。但是,在選擇X射線衍射技術時應當謹慎,因為X射線衍射法的準確性取決于所使用的特定技術的適用性。以下部分將探討三種X射線衍射技術的準確性和適用性。

      X射線衍射技術

      Sin2ψ多次曝光技術(MET)MET可測量正和負ψ方向及其之間不同傾角上的d-間距,因此需要對材料進行不同方向的取樣??赏ㄟ^在約-45°+45°之間不同的傾角計算應力??捎嬎愠鲆粋€正向應力(σ11)和一個剪切應力(σ13)。在兩個額外的φ方向上進行測量可獲得其他應力張量分量的所有表征(假設σ22、σ23、σ12;σ33在表面為0)。因此,以上優勢均表明X射線衍射技術是殘余應力測量的shou選方法。

      單次/二次曝光技術(SET/DET)SET/DETMET方法的變體,它僅使用一個/兩個ψ角。該技術用于快速進行測量。但是,SET/DET無法確認剪切應力、檢測shou選方向或檢測粒度大小問題,因此,在常規使用中會產生不正確的結果。

      Cos α技術:Cos α技術需測量衍射環(也稱為德拜環)周圍的每個角度α的峰位。由φ0,ψ0,α定義的此方向上的應變φψ可用一個公式來表示,其中ψ0(樣品相對于測角儀的傾角)、φ0(測量方向)2η(入射光束和衍射光束所對的角度)為變量。

      假設某應力(σ33,σi3)為零,則在感興趣方向上的應力計算公式為:

      (2)

      (3)

      MFN 1-6.png

          很明顯,對于固定的ψ0,σ11σ13無法分開和解出。此外,只有當σ13=0σ23=0時,σ11σ12才可準確計算。

      上面的公式表明,除了在剪切應力為零這種極端情況下,cos α方法對應力測量是不準確的。如果MET量已證實材料是均勻的且各向同性,那么可以使用SET/DETcos α技術;但是,它們不適用于常規用途。X射線衍射法sin2ψ多次曝光技術是目前業內約定俗成的標準方法,由于其測量殘余應力的準確性和持續性,可防止在各種材料條件下出現與應力相關的失敗。


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