摘 要:從測定原理(lǐ)出發,闡述了 X 射線(xiàn)應力測定方法的準确性;指出如果嚴格執行國(guó)标 GB/T7704—2017《無損檢測 X射線(xiàn)應力測定方法》,可(kě)以得到可(kě)靠的、在業界互信的測定結果;通 過實例說明了X射線(xiàn)應力測定方法的準确性,并提出了測定設備的檢定方法。
關鍵詞:X射線(xiàn)應力測定;檢定;标準差;再現性;臨界偏差
中(zhōng)圖分(fēn)類号:TB31;TG115.22 文(wén)獻标志(zhì)碼:B 文(wén)章編号:1001-4012(2023)03-0025-03
近年來,殘餘應力測定技(jì )術迅猛發展,在材料科(kē) 學(xué)與機械制造領域的應用(yòng)日益廣泛,并發揮着重要 作(zuò)用(yòng),其中(zhōng)貢獻最為(wèi)突出是 X射線(xiàn)應力測定技(jì )術。 進行X射線(xiàn)應力測定需要了解原理(lǐ)方法,嚴格執行 相關标準和掌握操作(zuò)規程,還需要試驗探索、積累經 驗,否則會影響 X射線(xiàn)應力測定的準确性。GB/T 7704—2017《無損檢測 X 射線(xiàn)應力測定方法》的 10.1節中(zhōng)提出,對測定結果進行概略性評估時,如 因所得的應力值的正負性和數量級迥然超乎人們的 預期而令人質(zhì)疑,則應從以下幾方面進行複查:① 儀器是否經過校驗;② 試樣的相、晶面、輻射、應力 常數(或X射線(xiàn)彈性常數)的組合是否有(yǒu)誤;③ 測試 點的表面處理(lǐ)是否正确,應注意任何不經意的磕碰、 劃傷或砂紙輕磨都會導緻應力狀态的顯著變化;④ 照射面積是否合适;⑤ 衍射峰是否完整,是否有(yǒu)足 夠的強度和峰背比,是否孤立無疊加;⑥ 試樣是否 存在粗晶或織構。如果依照标準注意到這些方面, 應該能(néng)夠得到可(kě)信的測定結果。筆(bǐ)者通過具(jù)體(tǐ)實例 說明了X射線(xiàn)應力測定方法的準确性,并提出了測 定設備的檢定方法。
1 X射線(xiàn)應力測定的準确性
首先應當認識到 X射線(xiàn)應力測定不需要事先 采用(yòng)試驗手段将已知的應力與本儀器測得的物(wù)理(lǐ)量 建立關系。X射線(xiàn)應力測定原理(lǐ)基于 X射線(xiàn)衍射 原理(lǐ),依據布拉格定律測定衍射角2θ,可(kě)以直接計 算晶面間距d,如果已知無應力狀态的晶面間距 d0,便可(kě)求得晶格應變ε,計算公(gōng)式如式(1)所示。
再運用(yòng)彈性力學(xué),把多(duō)晶材料宏觀應變視為(wèi)相 應區(qū)域裏晶格應變的統計結果,在材料表面應力方 向平面内選定若幹個ψ 角,分(fēn)别測定晶格應變εψ, 繼而計算晶格應變εψ 對sin2ψ的變化斜率,這裏可(kě) 排除難以确定的無應力狀态的晶面間距d0 的影 響,再除以X射線(xiàn)彈性常數S2/2(由材料相應晶面 的楊氏模量E 和泊松比ν計算而得,或者通過試驗 求出),即得到材料的平面應力σ,具(jù)體(tǐ)計算公(gōng)式如 式(2)所示,該公(gōng)式僅适用(yòng)于切應力為(wèi)0的情況。
式(2)中(zhōng)核心參量εψ 是通過衍射直接得到的。 在已知材料相應晶面楊氏模量E 和泊松比ν的條 件下,測定應力無需要其他(tā)物(wù)理(lǐ)量作(zuò)為(wèi)參照,無需 作(zuò)任何轉換,無需任何标定。因此隻要 X射線(xiàn)衍 射裝(zhuāng)置是檢定合格的,測得的應力就應該是準确 的。各實驗室采用(yòng)相同的S2/2,其結果應該有(yǒu)可(kě) 比性。
應力測定的準确度是測得的應力與真值的一緻 程度。殘餘應力是在去除外加載荷、溫度達到平衡、 内部相變已經終止的條件下,材料内部存在并保持 平衡的宏觀應力。材料發生不均勻塑性變形,表面 和内部各個區(qū)域的應力不同,無法獲得各個區(qū)域應 力的真值。因此隻能(néng)借助于某些手段對測定結果進 行試驗驗證,評價測定結果的合理(lǐ)性,而無法用(yòng)已知 應力來修正測量結果。
依據GB/T7704—2017第6章和附錄 C的規 定,将檢定工(gōng)作(zuò)分(fēn)為(wèi)3個步驟:
(1)鐵粉試驗,目的是為(wèi)了驗證衍射裝(zhuāng)置測定 零應力的準确性,所用(yòng)試樣通常為(wèi)還原鐵粉。還原 鐵粉無應力,但鐵粉顆粒中(zhōng)的晶粒度應較細小(xiǎo)。
(2)等強度梁試驗及其他(tā)加載試驗,對試樣進 行加載,同時用(yòng) X射線(xiàn)衍射法測定應力,觀察每次 加載時X射線(xiàn)應力測定結果的改變量與已知載荷 應力的改變量是否一緻。
(3)實驗室内(LQ)或實驗室間(ILQ)應力參考 試樣對比試驗,制作(zuò) LQ、ILQ 應力參考試樣,對試 樣進行X射線(xiàn)應力測定,考察儀器對高應力試樣的 測試結果是否有(yǒu)具(jù)有(yǒu)可(kě)信度。
2 X射線(xiàn)應力測定設備的檢定方法
2.1 ILQ應力參考試樣的制作(zuò)和表征
GB/T7704—2017标準規定:一個合格的實驗 室間認證的應力參考試樣應通過幾個實驗室進行檢 測,以便得到趨向于普遍認可(kě)的應力參考試樣。試 樣的應力參考值σref、再現性Rσ、重複性rσ 至少通 過5個實驗室的分(fēn)别測試而獲得。在無法得到認證 的标樣的情況下,各地實驗室可(kě)以自由組合制造和 表征ILQ标樣。
2016年,愛斯特應力技(jì )術有(yǒu)限公(gōng)司制備了巡檢 用(yòng)試樣,材料為(wèi)403鋼,經過噴丸處理(lǐ),使試樣具(jù)有(yǒu) 微觀結構高度均勻性、應力的時間穩定性,試樣的晶 粒細小(xiǎo)、無織構,試樣的表面平整、粗糙度低,沿深度 和表面方向上的應力、成分(fēn)梯度可(kě)忽略不計,試樣的 應力水平應足夠高。組織國(guó)内具(jù)有(yǒu)較高資質(zhì)的7個 單位,對該試樣分(fēn)别進行 X射線(xiàn)應力測定,測定條 件為(wèi):CrKα 輻 射,衍 射 晶 面 αFe(211),S2/2= 5.81×10-6 mm2/N,衍射角為(wèi)156.4°,結果如表1 所示。依據GB/T7704—2017中(zhōng)的附錄 C計算試 樣的σref、SR(标準偏差)和Rσ。
2.2 被檢定設備的測定重複性
在成都某集團公(gōng)司的XL-640型 X射線(xiàn)應力測 定儀(出廠編号為(wèi) XL-640-Ⅲ-1—2021)上,對應力 參考值為(wèi)-552.8MPa的ILQ試樣進行應力測定, 測定條件同表1,結果如表2所示,其中(zhōng)σ
