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残余应力的2种检测方法:X射线衍射法or压痕应变法

嘉峪检测网        2018-12-27 17:22

再制造加工技术门类十分广泛,总体上可分为3类:加法再制造、减法再制造和替换法再制造。其中镀铬作为加法再制造修复的一种重要手段,不仅修复了再制造产品的尺寸,而且镀铬层具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐硫化物、耐有机酸、顺磁、不易变色、长期保持光泽等特点。但镀铬层如存在残余应力,对镀层的性能如孔隙率和疲劳强度等会有很大的影响。

 

目前残余应力的测定方法很多,主要有钻孔法、X射线衍射法、磁性法、超声法、压痕法等。鉴于这些方法的应用都有一定的局限性,残余应力测试技术至今仍是一个有待深入研究的课题。

 

X射线衍射法是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力的,它是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测方法之一,至今仍是研究得最广泛、深入、成熟的内应力测定方法;压痕应变法是近年来国内外重点研究的课题,具有无损、便捷、精度高等特点,特别适用于在现场对原板进行测试,故而,本文将分别采用这两种方法对45钢再制造零件进行残余应力测试,并对两种方法的测试结果进行对比。

 

残余应力试样制备与试验方法

 

1 试样制备

试验材料为再制造工件常用材料45钢,分成两组,分别进行电镀铬处理和焊接处理来模拟常用的再制造工艺。其中电镀铬处理的电解液成分如表1所示,电镀工艺参数如表2所示,电镀时间为1~4.5h。

 

表1 电解液组成成分

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

表2 电镀工艺参数

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

2 残余应力测试

 

采用X射线应力仪对电镀铬层的残余应力进行测试,分析研究不同电镀时间后镀铬层的残余应力分布情况。分别采用X射线衍射法和压痕应变法对焊接后的钢材进行残余应力测试,分析两者的关联以及差异。

 

2.1 X射线衍射法

检测设备型号为X-350A。基本检测步骤为对试样测试点进行表面处理,去除污物,调试设备,将试样放入仪器中,置于测角仪回转中心上,关闭防护柜横拉门,设定试验参数如表3所示,开始测试。

 

表3 X射线衍射法试验参数

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

2.2 压痕应变法

检测设备型号为KJS-3P。基本检测步骤为对试样测试点进行粗磨、抛光,贴上BA120-1BA(11)-ZKY型应变片,切断应变片基片与压痕打击点处的联系,连接应变片与应变仪,设置试验参数如表4所示,对中打击位置,打击压痕。

 

表4 压痕应变法试验参数

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

残余应力试验结果与讨论

1、电镀时间对镀铬层残余应力的影响

残余应力是影响镀层性能的重要因素,其测试方法有很多种,目前基片变形法和X射线衍射法在国际上应用最为广泛,其中基片变形法测量应变时人为误差较大,故试验选用X射线衍射法测定镀铬层的残余应力。结果表明,不同厚度镀铬层的残余应力有明显差异,如图1所示。

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

图1 不同厚度电镀铬层的残余应力

 

从图1可以看出,电镀铬层的残余应力都大于零,表现为拉应力,且随着镀铬层厚度的增加,残余应力的变化呈现忽大忽小的变化趋势。对其原因进行分析,该变化趋势是镀铬层的不断累积和开裂过程造成的。

 

由此看来,经过电镀再制造处理后,工件表层多少都会存在一定的残余拉应力,具有一定的危害性,在使用中会存在一定的隐患,建议进行适当的去应力处理。

 

2、X 射线衍射法与压痕法测定表面残余应力的差异分析

焊接处理后的钢板如图2所示,从垂直于钢板焊缝方向分别选取7个测试点,贯穿母材、热影响区和焊缝,其中1,2,6,7四点处于母材位置,3和5两点处于热影响区,点4则正好处于焊缝中心位置。分别采用X射线衍射法和压痕应变法对这7个点进行残余应力测试。

 

再制造加工技术与残余应力检测方法

图2 残余应力测试位置示意图

 

从图3可以看出,不管采用哪种测试方法,都能发现在垂直于焊缝的方向上,残余应力的变化趋势呈现抛物线形状,即母材上的残余应力基本保持在零点左右波动,到达热影响区后残余应力逐渐增大为拉应力,再往里在焊缝中心处,残余应力快速增加至183.9MPa,与传统的认识相一致。

 

再制造加工技术与残余应力检测方法

 

图3 两种方法进行检测后的残余应力分布

 

另一方面,对比两种测试方法,不难发现尽管测得的残余应力具有相同的变化趋势,但是从每一个残余应力数值上来看,两者之间的差异较大,最大的差异甚至达到了131 MPa。对原因进行分析,主要是因为两种方法的测试原理有所不同。X射线衍射法是基于微观结构变化的测试方法,所测试的区域也是微区,往往都是微米级的区域,测试深度也比较浅,测得的是浅表层的残余应力;相对而言,压痕法的测试原理则比较宏观,无论是从测试面积还是深度上都要比X射线衍射法来的大。

 

对于完全均匀的材料,从理论上说两种方法的测试结果是一致的,但实际的工件不可能是均匀的,而且残余应力与宏观应力不同,是一个变化起伏较大的量,在材料内部同样不可能均匀存在,因此导致最终两者的测试结果存在较大差异。当然两种测试方法也各自有着很多影响准确测试的因素,同样会造成测试结果的差异。

 

残余应力检测结论

  • 电镀铬层的残余应力均表现为拉应力,且随着电镀时间的延长,镀层的残余应力呈现先增大后减小,后又增大的变化趋势。

  • 采用X射线衍射法和压痕应变法进行残余应力测试得出的45钢焊缝区残余应力变体总体趋势是一致的,但由于测试原理的不同,在不同部位测得的残余应力存在不同大小的偏差,且该差异呈现随机性。

 

 

节选自:《理化检验—物理分册》 Vol.54 2018.12

作者:徐凌云,高级工程师,上海出入境检验检疫局

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来源:AnyTesting