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殘余應力的2種檢測方法:X射線衍射法or壓痕應變法

嘉峪檢測網        2018-12-27 17:22

再制造加工技術門類十分廣泛,總體上可分為3類:加法再制造、減法再制造和替換法再制造。其中鍍鉻作為加法再制造修復的一種重要手段,不僅修復了再制造產品的尺寸,而且鍍鉻層具有硬度高、耐磨、耐腐蝕、耐硫化物、耐有機酸、順磁、不易變色、長期保持光澤等特點。但鍍鉻層如存在殘余應力,對鍍層的性能如孔隙率和疲勞強度等會有很大的影響。

 

目前殘余應力的測定方法很多,主要有鉆孔法、X射線衍射法、磁性法、超聲法、壓痕法等。鑒于這些方法的應用都有一定的局限性,殘余應力測試技術至今仍是一個有待深入研究的課題。

 

X射線衍射法是根據材料或制品晶面間距的變化測定應力的,它是表面殘余應力測定技術中為數不多的無損檢測方法之一,至今仍是研究得最廣泛、深入、成熟的內應力測定方法;壓痕應變法是近年來國內外重點研究的課題,具有無損、便捷、精度高等特點,特別適用于在現場對原板進行測試,故而,本文將分別采用這兩種方法對45鋼再制造零件進行殘余應力測試,并對兩種方法的測試結果進行對比。

 

殘余應力試樣制備與試驗方法

 

1 試樣制備

試驗材料為再制造工件常用材料45鋼,分成兩組,分別進行電鍍鉻處理和焊接處理來模擬常用的再制造工藝。其中電鍍鉻處理的電解液成分如表1所示,電鍍工藝參數如表2所示,電鍍時間為1~4.5h。

 

表1 電解液組成成分

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

表2 電鍍工藝參數

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

2 殘余應力測試

 

采用X射線應力儀對電鍍鉻層的殘余應力進行測試,分析研究不同電鍍時間后鍍鉻層的殘余應力分布情況。分別采用X射線衍射法和壓痕應變法對焊接后的鋼材進行殘余應力測試,分析兩者的關聯以及差異。

 

2.1 X射線衍射法

檢測設備型號為X-350A。基本檢測步驟為對試樣測試點進行表面處理,去除污物,調試設備,將試樣放入儀器中,置于測角儀回轉中心上,關閉防護柜橫拉門,設定試驗參數如表3所示,開始測試。

 

表3 X射線衍射法試驗參數

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

2.2 壓痕應變法

檢測設備型號為KJS-3P。基本檢測步驟為對試樣測試點進行粗磨、拋光,貼上BA120-1BA(11)-ZKY型應變片,切斷應變片基片與壓痕打擊點處的聯系,連接應變片與應變儀,設置試驗參數如表4所示,對中打擊位置,打擊壓痕。

 

表4 壓痕應變法試驗參數

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

殘余應力試驗結果與討論

1、電鍍時間對鍍鉻層殘余應力的影響

殘余應力是影響鍍層性能的重要因素,其測試方法有很多種,目前基片變形法和X射線衍射法在國際上應用最為廣泛,其中基片變形法測量應變時人為誤差較大,故試驗選用X射線衍射法測定鍍鉻層的殘余應力。結果表明,不同厚度鍍鉻層的殘余應力有明顯差異,如圖1所示。

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

圖1 不同厚度電鍍鉻層的殘余應力

 

從圖1可以看出,電鍍鉻層的殘余應力都大于零,表現為拉應力,且隨著鍍鉻層厚度的增加,殘余應力的變化呈現忽大忽小的變化趨勢。對其原因進行分析,該變化趨勢是鍍鉻層的不斷累積和開裂過程造成的。

 

由此看來,經過電鍍再制造處理后,工件表層多少都會存在一定的殘余拉應力,具有一定的危害性,在使用中會存在一定的隱患,建議進行適當的去應力處理。

 

2、X 射線衍射法與壓痕法測定表面殘余應力的差異分析

焊接處理后的鋼板如圖2所示,從垂直于鋼板焊縫方向分別選取7個測試點,貫穿母材、熱影響區和焊縫,其中1,2,6,7四點處于母材位置,3和5兩點處于熱影響區,點4則正好處于焊縫中心位置。分別采用X射線衍射法和壓痕應變法對這7個點進行殘余應力測試。

 

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

圖2 殘余應力測試位置示意圖

 

從圖3可以看出,不管采用哪種測試方法,都能發現在垂直于焊縫的方向上,殘余應力的變化趨勢呈現拋物線形狀,即母材上的殘余應力基本保持在零點左右波動,到達熱影響區后殘余應力逐漸增大為拉應力,再往里在焊縫中心處,殘余應力快速增加至183.9MPa,與傳統的認識相一致。

 

再制造加工技術與殘余應力檢測方法

 

圖3 兩種方法進行檢測后的殘余應力分布

 

另一方面,對比兩種測試方法,不難發現盡管測得的殘余應力具有相同的變化趨勢,但是從每一個殘余應力數值上來看,兩者之間的差異較大,最大的差異甚至達到了131 MPa。對原因進行分析,主要是因為兩種方法的測試原理有所不同。X射線衍射法是基于微觀結構變化的測試方法,所測試的區域也是微區,往往都是微米級的區域,測試深度也比較淺,測得的是淺表層的殘余應力;相對而言,壓痕法的測試原理則比較宏觀,無論是從測試面積還是深度上都要比X射線衍射法來的大。

 

對于完全均勻的材料,從理論上說兩種方法的測試結果是一致的,但實際的工件不可能是均勻的,而且殘余應力與宏觀應力不同,是一個變化起伏較大的量,在材料內部同樣不可能均勻存在,因此導致最終兩者的測試結果存在較大差異。當然兩種測試方法也各自有著很多影響準確測試的因素,同樣會造成測試結果的差異。

 

殘余應力檢測結論

  • 電鍍鉻層的殘余應力均表現為拉應力,且隨著電鍍時間的延長,鍍層的殘余應力呈現先增大后減小,后又增大的變化趨勢。

  • 采用X射線衍射法和壓痕應變法進行殘余應力測試得出的45鋼焊縫區殘余應力變體總體趨勢是一致的,但由于測試原理的不同,在不同部位測得的殘余應力存在不同大小的偏差,且該差異呈現隨機性。

 

 

節選自:《理化檢驗—物理分冊》 Vol.54 2018.12

作者:徐凌云,高級工程師,上海出入境檢驗檢疫局

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來源:AnyTesting

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