表面噴丸強化與X射線衍射殘余應力分析
噴丸強化的機理
在結構設計合理的前提下,各種零部件的使用壽命主要取決于它的疲勞強度。而零部件疲勞斷裂(高周或低周疲勞)的疲勞源絕大多數(shù)情況下萌生于表面。因此,金屬材料或零件的疲勞斷裂抗力(Fatigue fracture resistance)首先取決于表面狀態(tài)。表面噴丸強化就是目前行之有效、應用廣泛的表面處理方法。
噴丸后零件表面狀態(tài)對強化的作用應該從以下三方面考量:
第①,宏觀的表面紋理和粗糙度(Surface roughness)。表征表面粗糙度的參量Ra值越大,則材料/零件的疲勞斷裂抗力越低;在Ra值較大的情況下,其紋理方向性越強、紋理方向與受力方向夾角越大,則材料/零件的疲勞斷裂抗力亦越低。
第②,表面的微觀組織結構(Microstructure)。在噴射丸粒的密集撞擊作用下,表面的微觀組織結構必然發(fā)生劇烈變化,使之與材料內部不同。這里包括晶格滑移、點陣畸變、位錯增生、位錯包的形成,甚至還可能包括相變(例如殘余奧氏體因形變而轉變?yōu)轳R氏體),還可能引起表層的合金元素貧化(Delution of alloying element)或外部元素的滲入(Penetration of external)等等。在X射線衍射分析中,晶體滑移、點陣畸變、位錯增生均會引起衍射峰的寬化和彌射化,表征這一現(xiàn)象的參數(shù)是衍射峰半高寬B。研究表明,微觀組織結構的變化對材料或零件的疲勞斷裂抗力有著顯著的影響。
第③,表面塑性變形(Plastic deformed structure)導致表層晶格發(fā)生統(tǒng)計的傾向性彈性應變,從而產(chǎn)生宏觀內應力,即殘余應力(Residual stress)。在X射線衍射分析中,殘余應力會引起衍射峰的偏移。研究表明,在大部分情況下,適當?shù)臍堄鄩簯κ翘岣吡慵趶姸鹊闹饕蛩兀拇笮『脱貙由罘植紶顩r,對材料或零件的疲勞斷裂抗力有決定性的影響。
因此,對噴丸強化的材料和零部件進行X射線衍射分析,測定殘余應力及其沿層深的分布,同時讀取半高寬B的變化,是檢驗、評價和分析噴丸強化工藝效果不可或缺的手段、
1.X射線殘余應力分析的原理與方法
測量原理基于X射線衍射理論。
當一束具有一定波長λ的X射線照射到多晶體上時,會在一定的角度2θ上接收到反射的X射線強度極大值(即所謂衍射峰),這便是X射線衍射現(xiàn)象(如圖3所示)。X射線的波長λ、衍射鏡面間距d和衍射角2λ之間遵從注明的布拉格定律:
2d Sinθ = n λ(n = 1,2,3...)
在已知X射線波長λ的條件下,布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關系。
X射線應力測定基本的思路是把與宏觀應力σ對應的宏觀應變ε看成是相應范圍內晶格應變的統(tǒng)計效應;而晶格應變即晶面間距d的相對變化Δd/d,可以根據(jù)布拉格定律,通過衍射實驗求出。這是俄國學者阿克先諾夫(Akcehob)于1929年提出的。又經(jīng)歷了三四十年,德國學者E·馬赫勞赫(E.Macherauch)提出sin2ψ法,才把這一思路變成成熟的、可操作的測試方法。
對于晶粒細小,無織構的多晶材料,在一束X射線照射范圍里會有許許多多晶粒,它們的結晶學方向是充分紊亂的,所選的的(hkl)晶面處于空間任何方向的機會均等;但是在材料中存在應力σ的情況下,處于不同方向的(hkl)晶面,其晶面間距d會有所變化;如果在不同方向上作得的衍射角2θ也會隨之而變。令衍射晶面法線與試樣表面法線之夾角為ψ,根據(jù)彈性理論和布拉格定律,可以推導出:
σ = K·M
M = ?2θ/?sin2ψ
式中K為應力常數(shù),
K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180
式中σ為應力值,K為應力常數(shù),2θ為對應于各ψ角的衍射角測量值,M即2θ對sin2ψ
的變化斜率(如圖4所示),由布拉格定律可知它反映的就是晶面間距d隨衍射晶面方位角ψ的變化趨勢和急緩程度。在圖4中2θ隨sin2ψ增大而增大,說明d隨之減小,顯然是壓應力。
這樣看來,X射線應力測定的實質任務就是選定若干個ψ角,測定它所對應的衍射角2θ,然后計算2θ對sin2ψ的斜率M,再乘以應力常數(shù)K即應力值σ。
2.X-350A型X射線應力測定儀的功能特點
3.X射線應力測定方法分為同傾法和側傾法,側傾法比同傾法具有無可比擬的優(yōu)越性;從另一角度分類又分為固定ψ0 法和固定ψ法,后者又因原理準確實用效果好而優(yōu)于前者。更具魅力的是將此二優(yōu)結合起來,即在側傾的條件下實施固定ψ法便會產(chǎn)生喜人的新特點——吸收因子恒等于1。這就是說,不論衍射峰是否漫散,它的背底都不會傾斜,峰形基本對稱,而且在無織構的情況下峰形及強度不隨ψ角的改變而變化(如圖5所示)。顯然這個特點對提高測量精度是十分有利的。所以行家們一致認為側傾固定ψ法是理想的測量方法。
X-350A型X射線應力測定儀(圖6),以θ-θ掃描ψ測角儀為主要特征,完美地實現(xiàn)側傾固定ψ法,其功能特點如下:
(1)X-350A型儀器的測角儀以其獨特的構思和巧妙的設計,使得在2θ平面上的X光管和探測器同時等速相對而行,嚴格滿足固定ψ法的幾何要素;另外又使2θ平面與ψ平面相互獨立并始終處于相互垂直狀態(tài),這樣便準確無誤地實現(xiàn)了側傾固定ψ法,同時保持結構簡潔靈活輕便的特點。
(2)2θ掃描范圍:120°—170°,測定應力既可利用高衍射角又可利用低衍射角。這樣,除適用于鐵素體型鋼和鑄鐵材料之外,還為奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金以及高溫合金、硬質合金等材料的應力測定帶來方便并可提高測量精度、側傾固定ψ法另一特點是對于各種形狀的零部件有更好的適應性。
(3)該儀器測角儀的衍射幾何為聚焦發(fā)。如圖7所示。在X射線管和X射線探測器以θ-θ方式沿測角儀圓掃描過程中,X光源點、試樣上被照射點和探測器接受點,三者隨時同處在一個聚焦圓上,當然,隨著掃描過程,聚焦圓的大小是逐步變化的。聚焦法的優(yōu)點是從一個點光源發(fā)射出來的X射線,照射到被測工件的一定區(qū)域,反射線會準確地聚焦到探測器的窗口,衍射線能量集中,測試精度高。
(4)測定殘余奧氏體含量方便、快捷、準確。該儀器2θ掃描范圍120°—170°,故而在一次掃描中可以得到αFe(211)、γFe(220)兩個完整的衍射峰,無需另外安裝延長掃描范圍的附件,亦無須在測試過程中人為移動探測器的位置或X射線入設方向。而且可以針對同一測試點取不同的φ角、ψ角進行測定,以便探測織構的影響。必要時,可以做到殘奧含量和殘余應力同時測定,亦即一次測量得到殘奧含量和殘余應力兩項數(shù)據(jù)。這些都是該儀器獨有的功能,對于各種實體工件具有可貴的實用價值。
(5)支架與測角儀之間裝備了針對同一測試點阻焊φ角的連接機構,因此可測定主應力的大小及其方向,并可測定剪切應力。
(6)采用十字激光和點狀激光相配合構成的激光定位器,使得確定測試點的位置、校準照射距離和垂直度,準確快捷而方便,能夠明確指示測點位置和待測應力的方向。
推薦產(chǎn)品
技術資料
- 綏化市吊鉤式噴砂機_綏化市吊鉤式拋丸機_綏化市吊鉤式拋丸除銹清理機_綏化市吊鉤式噴丸設備提高板材的預加工質量?
- 鄂爾多斯6915鋼管除銹拋丸機調試完畢
- 2018發(fā)往山東臨沂吊鉤式378拋丸機
- 通過式拋丸清理機發(fā)往膠州的裝貨現(xiàn)場
- 環(huán)保型吊鉤式拋丸機發(fā)貨現(xiàn)場
- 淄博鋼結構拋丸機使用現(xiàn)場
- 黃驊懸鏈式拋丸機客戶現(xiàn)場
- 路面拋丸機應用于廣州橋面建設
- 履帶式拋丸機客戶案例現(xiàn)場匯總
- 布袋除塵器-除塵設備
最新資訊文章
- 噴砂房的智能化建設路徑
- 噴砂機的分類及用途探究
- 噴砂房內部環(huán)境改善方案研究
- 路面拋丸機在道路施工中的作用和效果
- 履帶式拋丸機的清洗效果評估標準
- 鋼結構拋丸機的使用注意事項及維護保養(yǎng)
- 吊鉤式拋丸機的性能參數(shù)對比研究
- 履帶式拋丸機的升級改造方案與經(jīng)濟效益
- 履帶式拋丸機:行業(yè)標桿之選
- 噴砂房的設計要點和施工流程