上篇回顾:用荧光光谱仪分析锌铝合金保护的铁片的型号成分

残余应力的定义

工件在制造过程中,将受到来自各种工艺等因素的作用与影响;当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响。也称残余应力。

残余应力的测量方法大致有:盲孔法残余应力测量,磁测法残余应力测量,X射线衍射法残余应力测量这三种。

厚钢板多层对接接头焊缝金属中沿厚度方向的残余应力

厚钢板多层对接接头焊缝金属中沿厚度方向的残余应力

X 射线衍射法测量残余应力的原理

X 射线衍射法测量残余应力的原理

Q:

块体合金表面的残余应力如何测量比较准确?在用X衍射衍射仪测量时,得到的结果误差太大,不知这是有何造成的?是表面没有处理好?还是合金本身的复杂结构造成的呢?还有一个问题,附图是这种合金表面的XRD,这种图能用吗?查卡片时峰比较杂乱,这是不是和表面的处理有关?


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A:

用X射线测量残余应力还是比较准确的!误差的话可能是测试过程中或是试样表面未处理好造成的吧!图片上这种合金表面的XRD基本上是可以使用的,不过需要优化一下!

  1. 用X射线衍射方法是测试金属表面残余应力时常用方法,应该能够测得比较准,但样品的制备非常关键,需要把表面由于加工所引入的残余应力层去除。常用电化学腐蚀方法清除,具体腐蚀剂可参考EBSD样品的腐蚀;
  2. 如果是北京的,北京理工大学材料学院有专门的X射线衍射表面残余应力分析仪。具体设备情况参见:www.matserv.net

X射线应力测试仪测量结果比较准确,但针对具体材料,有些参数设置比较麻烦,价格也比较贵。

应力应变仪测量比较简单,但精度较差。

残余应力的检测及消除方法

一 有损检测法

有损检测法是指通过切槽、取条或逐层剥除等方法使构件相应部位的残余应力释放出来, 再通过对被测构件尺寸变化的测量来计算得到残余应力的具体数值的检测方法。

  1. 取条法:取条法是指在存在残余应力的构件上,沿着残余应力存在的方向切取矩形等截面长条,使存在的残余应力完全释放,再通过测量在残余应力存在方向上构件尺寸的变化值计算出该方向的残余应力的值。
  2. 切槽法:切槽法需要在构件表面上切削围成一定区域的沟槽,使所围成的区域内残余应力完全释放出来,再通过对应变的测量来计算获得残余应力。
  3. 钻孔法:钻孔法是一种对构件破坏性相对较小的一种有损检测方法。对存在残余应力构件的表面钻一个小孔,使小孔处的残余应力得以释放,再通过粘贴在孔邻近区域的应变片来测量相应的位移和应变,最后可以通过计算来得到在钻孔处深度方向上的平均残余应力值。

采用有损检测法检测残余应力时,会对被测部件的表面造成损伤和破坏,因而在一定程度上影响了零件的力学性能甚至导致直接报废。在实际生产中需要进行残余应力检测的部件往往运用在关键部位且造价不菲,不允许对被测部件表面造成损伤。因而,有损检测法会对被测部件造成损伤的缺点严重制约了它的应用范围和发展前景。

二 无损检测法

残余应力的无损检测法主要是通过物理光学和核物理技术来测量材料内部的物理常量(如晶格常数)在应力场中的变化来间接算出物体内部残余应力值的方法。

  1. X 射线衍射法。X 射线衍射法测量残余应力是基于X 射线衍射理论。当一束波长为 λ 的X 射线照射在晶体表面时,会在特定的角度(2 θ )上接收到X 射线反射光的波峰,这就是X 射线衍射现象。
  2. 磁性法。磁性法分为磁噪声法和磁应变法。磁噪声法的理论基础是当铁磁材料处于外加交变磁场中时, 磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化, 从而在探测线圈中引起噪声,此现象称为磁噪声, 又称为巴克豪森磁噪声(BN)。
  3. 超声波法:当被测材料中有残余应力产生时,会引起被测材料内部力学性能的变化。声波在材料内部传递时也会发生速度的变化。超声波法就是利用应力引起的声双折射效应来测量声波传播路径上的平均应力值。

三 消除残余应力的方法

残余应力的存在会严重影响零件的加工精度、使用性能以及使用寿命。因此,必须采取相应的工艺来降低或消除不良的残余应力。

  1. 保证零件结构设计合理,尽量避免尖角和壁厚不均等结构;优化加工工艺路线并在每个工艺选择合理的加工参数,降低零件在每个加工工序中产生的残余应力,同时通过合理的加工工艺的配合来降低残余应力。
  2. 自然时效处理 。把工件在室内或室外放置一段时间,在昼夜温差和复杂的“环境振荡”的作用下工件内部的原子发生微观位移和扩散,导致微观残余应力下降,同时促进工件在宏观意义下的塑性变形,从而达到降低残余应力的目的。这种方法需要的时间较长,且消除残余应力的能力有限。
  3. 人工时效处理 。最常见的人工时效处理是时效退火。由于材料的屈服强度会随着温度的升高而降低,时效退火法就是把工件加热到材料的回复或再结晶温度范围内保存几小时甚至几十小时,来降低材料的屈服强度,使那些在残余应力作用下达到屈服极限的部分发生热塑性变形来消除残余应力的。这种方法要保证冷却速度足够缓慢,以免在工件冷却过程中产生新的残余应力。目前人工时效处理应用非常广泛,它最高可以消除部件内部80% 的残余应力,但是它存在可能引起部件材料的高温软化,其设备昂贵,对环境也有一定污染等缺点。
  4. 振动时效处理 。振动时效是利用机械共振的方法消除或均化金属结构在铸造、锻压、焊接和切削等机械加工后所产生的残余应力。它通过向工件施加一定大小和频率激荡力的方式给工件传递能量,使工件发生微小或宏观塑性应变来匀化和消除残余应力。振动时效法不仅可以大幅度地消除工件内部的残余应力,而且设备简便,节能环保,消除残余应力效率高。
  5. 局部塑性变形法。对于精度要求不高的零件,可以在其残余拉应力存在的表面通过手锤敲击或过载的方法使其沿着拉应力的方向产生塑性变形来消除残余应力。