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嘉峪檢測網 2021-11-01 22:04
1 研究背景
殘余應力是指產生應力的各種因素不存在時（如外力去除、溫度已均勻、相變結束等），由于不均勻的塑性變形使材料內部依然存在并且自身保持平衡的彈性應力，又稱為內應力。按照殘余應力作用區域的大小分為三類，第一類屬于宏觀殘余應力；第二類為微觀殘余應力；第三類也屬于微觀殘余應力。在相關構件的設計、制造乃至服役過程中，第一類宏觀殘余應力起著重要的作用。一方面在大型結構件的加工、制造過程中，不均勻的殘余應力是導致材料出現變形、開裂的主要原因，嚴重降低了零件的生產效率，提高了生產成本；另一方面，在零件服役的過程中，材料中的殘余拉應力可能會降低材料的疲勞強度、引起應力腐蝕，從而造成結構的早期失效。因此，準確測量殘余應力的大小與分布，對改進強度設計、提高工藝效果、檢驗產品質量和安全可靠性評價具有重要的影響。
由于殘余應力的“自平衡”性，目前沒有直接的方法可以準確測量其大小。幾乎所有的方法都是通過測量材料的應變，再利用胡克定律計算出應力的大小。這些應力測試方法，主要可以分為三大類：應力釋放法、物理性能法、射線衍射法。應力釋放法是通過對材料進行切削，測量材料去除后由應力釋放而導致的變形，從而獲得原始應力大小，如盲孔法、輪廓法、環芯法等。此類方法需對材料進行一定程度的破壞，為有損測試法。物理性能法主要是測量材料由應力而產生的物理性能的變化（如超聲法、磁性法等），但測試結果受材料內部缺陷、微觀組織結構等因素影響較大，且標準樣品制備困難，很難得到可靠的定量結果。射線衍射法是通過射線的衍射原理測得晶格應變，再計算得出材料的應力值，為無損的應力測試方法。該方法根據射線源的不同，一般可分為普通X射線衍射、同步輻射X射線衍射及中子衍射。與X射線相比，中子具有更強的穿透能力，非常適合于測量材料或工程部件內部的三維應力狀態。
2 中子衍射測量殘余應力的基本原理
中子衍射法殘余應力測試基本原理是基于布拉格衍射方程。當波長為λ的中子束通過樣品時與晶面發生衍射。
（1）
在應力作用下，材料晶面間距發生變化，直接表現為衍射角θ的變化，可確定產生的晶格應變為：
（2）
在中子衍射殘余應力檢測中，通過調整入射狹縫及徑向準直器定義樣品的衍射體積，見圖1。
圖1 中子衍射殘余應力測試
利用中子衍射法僅能得到衍射矢量方向的晶格應變。為了計算該位置的應力張量至少需要對6個獨立方向進行應變測試：即3個正應力分量和3個切應力分量，從而正確計算材料中的應力張量矩陣。
3 中子衍射法與其他殘余應力測試方法的對比
殘余應力的測量方法多樣，不同測量方法各具優缺點，圖2給出各方法的穿透深度與空間分辨率，其中深色背底表示有損方法，白色背底為無損方法。可見，中子衍射法在無損測量材料內部較深位置處的應力具有顯著優勢。在實際應用中，很多研究者將中子衍射技術與其它應力檢測技術聯用，相互驗證并互為補充。
圖2 不同殘余應力測試方法對比
英國公開大學Y.Traore采用中子衍射法、裂紋柔度法和輪廓法對緊湊拉伸奧氏體不銹鋼焊接試樣進行殘余應力測試，結果表明，裂紋柔度法所測應力值＜輪廓法＜中子衍射法，輪廓法測試結果朝著CT樣的前端面略有偏移（圖3）。加拿大英屬哥倫比亞大學的M.Smith對IN718高溫合金線性摩擦焊焊縫采用中子衍射和輪廓法進行殘余應力測量，結果表明，中子衍射測得焊縫最高的拉應力值大于輪廓法。韓國中子源的Wanchuck Woo對由5層不同材料增材制造的功能梯度材料采用輪廓法、中子衍射法、深孔法和遞增中心孔法對沿厚度方向的每層進行殘余應力測試（圖4）。美國海軍研究院的L.N. Brewer采用X射線與中子衍射技術對ODS鋼攪拌摩擦焊的焊縫進行殘余應力測試，采用X射線測定表層不超過60μm深度的應力，中子測量內部厘米級深度的應力。測試結果表明該焊縫區域表層與內部應力基本一致。帝國理工大學J.Ahn采用X射線與中子衍射技術相互補充，對光纖激光焊AA2024-T3鋁合金進行殘余應力測試。雅典國家技術大學Polyxeni Vourna采用X射線與中子衍射技術對AISI 1008鋼板電子束焊接焊縫進行殘余應力測試，并研究了磁性巴克豪森噪聲法和準直流磁導率與殘余應力的相關性，以及作為殘余應力測試新方法的可能性與展望。
從以上研究結果可見，中子衍射法常用于測量材料內部三維應力分布，在測量深度和準確度等方面均具有顯著優勢。在實際工程應用中表征構件整體應力分布時，可結合產品構形及材料特點，充分發揮中子衍射的測量優勢，同時還可以選擇其他殘余應力測試方法進行補充，如測量表層應力時更宜采用X射線衍射法，測量應力面分布時，可采用有損的輪廓法等。
圖3 緊湊拉伸奧氏體不銹鋼焊接試樣殘余應力測試：（a）電子束焊接CT樣外觀；（b）輪廓法、裂紋柔度法、中子衍射法測試位置示意圖；（c）測試結果對比
圖4 增材制造功能梯度材料殘余應力測試：（a）增材制造方式和樣品尺寸示意圖，（b）不同殘余應力測試方法的測試位置，（c）殘余應力二維分布
4 中子衍射技術測量殘余應力的國內外研究進展
近年來采用中子衍射技術開展的應用與研究主要集中在工程部件殘余應力測試與分析，制造加工工藝或使用過程中殘余應力的演變及相關的形變、相變機理研究等方面，相應的原位實驗與測試技術也逐漸引起關注。
4.1 工程部件的殘余應力測試
中子衍射在無損定量測量工程部件內部殘余應力上具有獨特的優勢，由于大多數元素對中子束的低吸收，使中子束能夠穿透構件的厚度從數毫米到數厘米量級；通過調整入射和出射狹縫或準直器，可獲得衍射體積內的信息，便于表征材料內部的性能，現已被越來越多的應用于航空、航天、核電、船舶等領域的關重件殘余應力檢測。
韓國中子源的Eunjoo Shin等對已服役10年的飛機起落架上起固定作用的鋼銷和銷孔件進行殘余應力測試，通過殘余應力結果，為該構件的壽命評估提供數據基礎。奧利地的Robert Kaiser對鐵軌3個方向的應力進行了測量，并與輪廓法和有限元模擬相結合，為鐵軌的矯直工藝提供了指導。加拿大Ryerson University的A.Lombardi對汽車的Al合金發動機組塊時效熱處理工藝進行研究，通過原位與非原位的中子衍射測量，得出塊體內部的應力變化。加拿大Concordia University的J.Yi對航空用AISI 4340鋼盤件感應硬化的殘余應力進行測量，并結合XRD方法，依據組織結構的變化，在盤件不同位置選取合適的參考值d0，從而得出更為準確的殘余應力值（圖5）。北京航空材料研究院在中國綿陽研究堆對DZ125定向凝固高溫合金葉片內部不同位置進行三維殘余應力測量，并根據晶格常數計算得到相應的錯配度，為我國航空發動機葉片服役壽命的無損評價提供了數據基礎。
圖5 感應硬化后AISI 4340鋼盤件殘余應力測量：（a）獲取參考值d0的梳狀樣（b）中子衍射測試架構（c）殘余應力測試結果
4.2 工藝過程中的應力分析
在工程部件殘余應力的研究中，工藝過程與殘余應力密不可分。材料在制造加工過程中，不可避免的會產生殘余應力。一些特殊工藝，如焊接、增材制造，其高能量密度的熱源導致非常快的冷速和大的溫度梯度，從而造成殘余應力過大，很多相關產品的失效，如應力腐蝕、疲勞等，都與殘余應力密切相關，因此采用中子衍射技術研究這類工藝下材料內部不同區域的殘余應力是當前的研究熱點。
英國Bristol大學K. Abburi Venkata研究了9Cr-1Mo和奧氏體AISI 316不銹鋼異種金屬電子束焊接焊縫不同區域的殘余應力，得出焊接中心區域由于熔池的快速冷卻，主要為壓應力狀態，在相鄰熱影響區或熔融區邊界為高拉應力狀態。南非Howard 學院M. Clyde Zondi研究了不同焊接工藝條件下壓力容器管道與板材氬弧焊區域殘余應力分布，得出焊接中心線的環向拉應力值已接近焊材屈服應力，軸向與徑向應力則遠小于環向應力（圖6）。沈陽金屬所對SiCp/2009Al-T4金屬基復合材料攪拌摩擦焊焊接區域的宏觀殘余應力與微觀應力進行了研究，揭示了金屬基體與增強相間的載荷傳遞。中國石油大學分析了管材與板材連接區補焊后殘余應力變化，發現補焊區橫向應力幾乎不變，長度方向應力增加；非補焊區的橫向和長度方向應力均降低，并提出沿原焊接方向反向補焊可有效降低殘余應力水平的建議。上海交大的Chen Shen采用中子衍射法對電弧增材制造Fe3Al基鐵鋁化合物進行了殘余應力測量，部分位置存在較大柱狀晶，尺寸可達600μm，呈現顯著各向異性。將中子的規范體積增大至2mm×2mm×2mm，以保證收集到足夠多的晶粒信息。韓國中子源的Wanchuck Woo對由5層不同材料增材制造的功能梯度材料采用中子衍射法測得每層材料的三維應力矩陣，為工藝優化提供數據支撐。
圖6 壓力容器管道氬弧焊區殘余應力測試：（a）測試位置，（b）測試結果
4.3 基于中子衍射的原位技術的應用
由于中子衍射實驗可以在幾分鐘（反應堆中子源）和數十秒（脈沖中子源）完成，因此基于各種原位技術被用于中子衍射的測量中，包括熱、力、熱力耦合、高壓、磁場等。
西班牙del Pais Vasco大學的I.Ruiz-Larrea在美國Los Alamos中子源研究了原位熱循環過程中形狀記憶合金的相變原理。Los Alamos中子源的H.Wang研究了AZ31鎂合金的應力松弛和應變松弛機制，采用原位中子衍射建立了材料內部彈性應變與宏觀應力應變行為的響應關系。英國Bristol大學的B.Chen在ISIS中子源對焊接鋼管原位熱處理過程中的應力釋放進行了測量和分析，建立了溫度、時間、應力的關系，為熱處理工藝的優化提供了支撐（圖7）。日本Kyushu大學的Yanxu Wang在J-PARC中子源原位研究了珠光體鋼在拉壓疲勞過程中的應變硬化、包申格效應和循環軟化機制。中國航發北京航空材料研究院采用原位拉伸試驗對FGH96高溫合金不同晶面的響應進行研究，與施加載荷相對比，并結合模擬計算得到了適用于該材料最佳的中子衍射測試參數與數據解析方法，為后續大型構件的測量奠定了重要基礎。
圖7 焊接鋼管在原位熱處理過程中的應力變化：（a）焊接區域截面形貌及中子衍射測試位置，（b）殘余應力隨熱處理時間的變化
5. 總結與展望
隨著中子源的不斷發展與擴大，相關的儀器設備與實驗技術不斷升級與發展，在材料科學與工程領域的應用研究更加深入和廣泛。脈沖中子源束流功率的提升，可提供豐富的高能短波長中子，從而加大穿深能力并縮短了數據的采集時間，為大型構件內部的殘余應力測試提供重要技術保證；準直器技術的進步可將衍射體積縮小到微米量級，可與同步輻射技術相媲美，在塊體材料微觀結構的研究方面獨具優勢；結合原位技術的發展，使中子衍射在研究不同過程中材料的形變、相變等宏微觀機理方面發揮重要的作用。
中子衍射技術的應用可將材料與工程部件的組織結構、微觀行為與宏觀性能相互關聯，為研究材料和部件的本構關系、失效機理，以及可靠性的分析和預測等提供重要理論基礎和技術支撐，在材料與工程領域發揮不可替代的作用。
通訊作者：李楠，中國航發北京航空材料研究院，高級工程師，主要從事航空材料微結構表征技術等方面的研究。
引用文章：李楠,王曦,劉昌奎. 中子衍射技術測量殘余應力的研究進展[J]. 失效分析與預防,2021,16(2):148-154.
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