摘 要:從測定原理出發,闡述了 X 射線應力測定方法的準確性;指出如果嚴格執行國標 GB/T7704—2017《無損檢測 X射線應力測定方法》,可以得到可靠的、在業界互信的測定結果;通 過實例說明了X射線應力測定方法的準確性,并提出了測定設備的檢定方法。
關鍵詞:X射線應力測定;檢定;標準差;再現性;臨界偏差
中圖分類號:TB31;TG115.22 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0025-03
近年來,殘余應力測定技術迅猛發展,在材料科 學與機械制造領域的應用日益廣泛,并發揮著重要 作用,其中貢獻最為突出是 X射線應力測定技術。 進行X射線應力測定需要了解原理方法,嚴格執行 相關標準和掌握操作規程,還需要試驗探索、積累經 驗,否則會影響 X射線應力測定的準確性。GB/T 7704—2017《無損檢測 X 射線應力測定方法》的 10.1節中提出,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 預期而令人質疑,則應從以下幾方面進行復查:① 儀器是否經過校驗;② 試樣的相、晶面、輻射、應力 常數(或X射線彈性常數)的組合是否有誤;③ 測試 點的表面處理是否正確,應注意任何不經意的磕碰、 劃傷或砂紙輕磨都會導致應力狀態的顯著變化;④ 照射面積是否合適;⑤ 衍射峰是否完整,是否有足 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。如果依照標準注意到這些方面, 應該能夠得到可信的測定結果。筆者通過具體實例 說明了X射線應力測定方法的準確性,并提出了測 定設備的檢定方法。
1 X射線應力測定的準確性
首先應當認識到 X射線應力測定不需要事先 采用試驗手段將已知的應力與本儀器測得的物理量 建立關系。X射線應力測定原理基于 X射線衍射 原理,依據布拉格定律測定衍射角2θ,可以直接計 算晶面間距d,如果已知無應力狀態的晶面間距 d0,便可求得晶格應變ε,計算公式如式(1)所示。
再運用彈性力學,把多晶材料宏觀應變視為相 應區域里晶格應變的統計結果,在材料表面應力方 向平面內選定若干個ψ 角,分別測定晶格應變εψ, 繼而計算晶格應變εψ 對sin2ψ的變化斜率,這里可 排除難以確定的無應力狀態的晶面間距d0 的影 響,再除以X射線彈性常數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,具體計算公式如 式(2)所示,該公式僅適用于切應力為0的情況。
式(2)中核心參量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物理量作為參照,無需 作任何轉換,無需任何標定。因此只要 X射線衍 射裝置是檢定合格的,測得的應力就應該是準確 的。各實驗室采用相同的S2/2,其結果應該有可 比性。
應力測定的準確度是測得的應力與真值的一致 程度。殘余應力是在去除外加載荷、溫度達到平衡、 內部相變已經終止的條件下,材料內部存在并保持 平衡的宏觀應力。材料發生不均勻塑性變形,表面 和內部各個區域的應力不同,無法獲得各個區域應 力的真值。因此只能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性,而無法用已知 應力來修正測量結果。
依據GB/T7704—2017第6章和附錄 C的規 定,將檢定工作分為3個步驟:
(1)鐵粉試驗,目的是為了驗證衍射裝置測定 零應力的準確性,所用試樣通常為還原鐵粉。還原 鐵粉無應力,但鐵粉顆粒中的晶粒度應較細小。
(2)等強度梁試驗及其他加載試驗,對試樣進 行加載,同時用 X射線衍射法測定應力,觀察每次 加載時X射線應力測定結果的改變量與已知載荷 應力的改變量是否一致。
(3)實驗室內(LQ)或實驗室間(ILQ)應力參考 試樣對比試驗,制作 LQ、ILQ 應力參考試樣,對試 樣進行X射線應力測定,考察儀器對高應力試樣的 測試結果是否有具有可信度。
2 X射線應力測定設備的檢定方法
2.1 ILQ應力參考試樣的制作和表征
GB/T7704—2017標準規定: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的應力參考試樣。試 樣的應力參考值σref、再現性Rσ、重復性rσ 至少通 過5個實驗室的分別測試而獲得。在無法得到認證 的標樣的情況下,各地實驗室可以自由組合制造和 表征ILQ標樣。
2016年,愛斯特應力技術有限公司制備了巡檢 用試樣,材料為403鋼,經過噴丸處理,使試樣具有 微觀結構高度均勻性、應力的時間穩定性,試樣的晶 粒細小、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、成分梯度可忽略不計,試樣的 應力水平應足夠高。組織國內具有較高資質的7個 單位,對該試樣分別進行 X射線應力測定,測定條 件為:CrKα 輻 射,衍 射 晶 面 αFe(211),S2/2= 5.81×10-6 mm2/N,衍射角為156.4°,結果如表1 所示。依據GB/T7704—2017中的附錄 C計算試 樣的σref、SR(標準偏差)和Rσ。
2.2 被檢定設備的測定重復性
在成都某集團公司的XL-640型 X射線應力測 定儀(出廠編號為 XL-640-Ⅲ-1—2021)上,對應力 參考值為-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σ
