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X射線殘餘應力分析簡介

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X射線殘餘應力分析簡介

發布日期:2018-11-26 作者: 點擊:

1、什麽是殘餘應力?

殘餘應力是消除外力或不均勻的溫度場等作用後仍留在物體內的自相平衡的內應力。機械加工和強化工藝都能引起殘餘應力。如冷拉、彎曲、切削加工、滾壓、噴丸、鑄造、鍛壓、焊接和金屬熱處理等,因不均勻塑性變形或相變都可能引起殘餘應力。

殘餘應力一般是有害的,如零件在不適當的熱處理、焊接或切削加工後,殘餘應力會引起零件發生翹曲或扭曲變形,甚至開裂。或經淬火、磨削後表麵會出現裂紋。殘餘應力的存在有時不會立即表現為缺陷,而當零件在工作中因工作應力與殘餘應力的疊加,使總應力超過強度極限時,便出現裂紋和斷裂。零件的殘餘應力大部分都可通過適當的熱處理消除。殘餘應力有時也有有益的方麵,它可以被控製用來提高零件的疲勞強度和耐磨性能。

由於上麵的原因,工業上經常需要對工件當前的殘餘應力進行分析。習慣上將殘餘應力分為微觀應力和宏觀應力。兩種應力在X射線衍射譜中的表現是不相同的。微觀應力是指晶粒內部殘留的應力,它的存在,使衍射峰變寬。這種變寬通常與因為晶粒細化引起的衍射峰變寬混雜在一起,兩者形成卷積。通過測量衍射峰的寬化,並采用近似函數法或傅立葉變換方法來求得微觀應力的大小。宏觀應力是指存在於多個晶體尺度範圍內的應力,相對於微觀應力存在的範圍而視為宏觀上存在的應力。一般情況下,殘餘應力的術語就是指在宏觀上存在的這種應力。宏觀殘餘應力在X射線衍射譜上的表現是使峰位漂移。當存在壓應力時,晶麵間距變小,因此,衍射峰向高度度偏移,反之,當存在拉應力時,晶麵間的距離被拉大,導致衍射峰位向低角度位移。通過測量樣品衍峰的位移情況,可以求得殘餘應力。

2X射線衍射法測量殘餘應力的發展

X射線衍射法是一種無損性的測試方法,因此,對於測試脆性和不透明材料的殘餘應力是最常用的方法。20世紀初,人們就已經開始利用X射線來測定晶體的應力。後來日本成功設計出的X射線應力測定儀,對於殘餘應力測試技術的發展作了巨大貢獻。1961年德國的E.Mchearauch提出了X射線應力測定的sin2ψ法,使應力測定的實際應用向前推進了一大步。

3X射線衍射法測量殘餘應力的基本原理

X射線衍射測量殘餘內應力的基本原理是以測量衍射線位移作為原始數據,所測得的結果實際上是殘餘應變,而殘餘應力是通過虎克定律由殘餘應變計算得到的。

其基本原理是:當試樣中存在殘餘應力時,晶麵間距將發生變化,發生布拉格衍射時,產生的衍射峰也將隨之移動,而且移動距離的大小與應力大小相關。用波長λ的X射線,先後數次以不同的入射角照射到試樣上,測出相應的衍射角2θ,求出2θ對sin2ψ的斜率M,便可算出應力σψ。

X射線衍射方法主要是測試沿試樣表麵某一方向上的內應力σφ。為此需利用彈性力學理論求出σφ的表達式。由於X射線對試樣的穿入能力有限,隻能探測試樣的表層應力,這種表層應力分布可視為二維應力狀態,其垂直試樣的主應力σ3≈0(該方向的主應變ε3≠0)。

殘餘應力測試.jpg

4殘餘應力測量實驗方法的發展

X射線的穿透深度較小,隻能測量材料表麵的殘餘應力,如果需要測量材料內部的殘餘應力,或者測量應力梯度,其能力則顯得有些蒼白。通常解決的辦法是需要采用剝層法。即對樣品逐層剝離,測量每層表麵的應力,然後采用一定的算法扣除因為剝層造成的應力鬆弛,換算成各層真實的應力。

近年來,有人采用中子衍射法和同步輻射X射線透過法來測量材料深度的殘餘應力。中子衍射法是一種測量結構內部應力的常用方法。中子衍射法以中子流為入射束,照射試樣,當晶麵符合布拉格條件時,產生衍射,得到衍射峰。該方法的原理與普通X射線衍射方法類似,也是根據衍射峰位置的變化,求出應力。但與普通X射線衍射法相比,中子衍射法利用中子能穿透試樣較大深度的特性,可以測得樣品內部殘餘應力,且適於對大塊試樣進行測定。因此,中子衍射法對測定樣品內部平均殘餘應力具有很大的優越性。

因為同步輻射X射線的強度高可以透過樣品,國外已有學者采用透過法測量金剛石與硬質合金複合層的內部殘餘應力。

5、X射線殘餘應力分析應用

利用X射線進行殘餘應力分析,可用於許多檢測對象,包括彈簧、曲軸、齒輪、焊縫等的殘餘應力分析。

還包括大型發電渦輪盤的殘餘應力測量,以及大型水管內及大型機械零件的殘餘應力測量。還可以對輸氣管道及飛機機體進行殘餘應力測量。而如果使用大功率X射線應力係統,還可以對大型複雜結構零件進行殘餘應力分析。

6、總結

X射線檢測是目前最為成熟而且應用範圍也是最廣泛的測量結構表麵殘餘應力方法。X射線殘餘應力儀配合各種專用的軟件,能進行衍射線強度修正、峰值定位及應力計算等多種工作,使測量過程變得簡便、快捷。

X射線殘餘應力測量的特點包括:

1)理論成熟,測量精度高,結果準確、可靠。

2)屬於無損測量方法,不破壞工件、不改變材料狀態、且屬於非接觸方法。

3)還可以測量微觀應力,測定複合相合金中各個相的應力及異種金屬焊接界麵的殘餘應力

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