Residual Stress Analysis (X-Ray Diffraction)

什么是残余应力?

残余应力是存在于材料和零件中不因外部载荷所引起的应力。通常由材料在加工过程中产生的塑性形变引起,并不同程度的存在于各个零部件之中。几乎所有的制造和加工工序都会产生残余应力,这些应力会对零件的强度和使用寿命产生重大的影响。当残余应力与外部载荷应力同方向重叠时,可能导致零件在外部负载未到设计极限时提前损坏!反之,通过针对性的引进残余应力,可以有效提高零部件的载荷极限。因此,对于残余应力的大小和方向的测量,对零件的质量和寿命有着重要意义,并且直接影响了零部件的损坏形式。X射线衍射法(XRD)长期被用于金属晶体内部残余应力的测量。

通过X射线衍射法(XRD)对金属内部的残余应力进行无损测量:

短波X射线在射入金属材料晶格后发生反射并形成衍射(布拉格定律)。通过谢乐公式可以计算出晶格中的原子间距(晶间间距)。当材料处于弹性受力时,与无残余应力状态相比,晶间间距会发生改变。并可通过sin2ψ法对残余应力进行测量。通过不同角度的X射线照射在零件出产生衍射,从而精确测量倾斜角度下原子间距的变化。通过带入材料的弹性系数,可以将间距变化换算为拉压的应力值(MPa)。残余应力可通过零件的特定方向进行分析。通过在三个不同方向上的照射倾角可以计算出残余的应力张量。
X射线所能测定的深度相对较小,只有几微米。因此所测得的残余应力为零件表面的残余应力。通过电解蚀刻来去除表层材料后,可以在不显著改变零件内应力状态的情况下获得残余应力沿深度方向上的分布。同样具有极高的空间分辨率。

试验台结构:X射线衍射仪

我们公司将紧凑型衍射仪安装于6自由度机械臂上。通过这样的结构,衍射仪可以检查不同形状和尺寸的零部件。针对不同的金属以及合金(如钢,镍,铜,钛,铝等)可以选取不同的X射线管,以达到最佳的测量结果,获得精确的残余应力分布。
通过电解蚀刻对零件表面进行去除后,可以得到零部件不同深度的残余应力分布。并允许在深度剖面中显示应力曲线。

残余奥氏体含量测定

通过对钢材进行X射线衍射能够确定其残余奥氏体的含量。奥氏体(γ-Fe)的特征衍射图与铁素体(α-Fe)有差别。通过对比衍射图,这两类成分的含量区别可以精确到1%以下。针对该项测量,实验台配置了优化过的衍射仪,该衍射仪配置有65kV钼X射线管。其测量值符合ASTM E975标准。

应用场景:

  • 材料疲劳:以拉压应力形式存在的残余应力会对材料的强度或者寿命产生有利或不利的影响。

  • 残余的表面应力对硬化处理后的零件的使用寿命有直接的影响。

  • 由加工过程或者后期冷处理(如碰丸硬化)引起的表面残余应力会改变金属的机械性能。可以通过有针对性的应力分布,如使残余应力为压应力从而提高零件的疲劳强度。

  • 测定焊接过程中由焊接金属和母材间因不同热胀冷缩系数引起的焊接应力,以防止叠加外部载荷后导致结构失效。

  • 增材制造:测量由加工过程导致额残余应力(如选择激光或电子束进行融化),该应力对功能件的使用寿命起到了决定性的作用。

适用标准:

残余应力测量试验台符合ASTM E915,ASTM E2860以及EN 15305标准。此外还符合整车厂OEM,如大众(PV 1005),戴姆勒和其他汽车制造商的规定要求。残余奥氏体测量评估符合ASTM E975的标准要求。