表面残余应力测试方法

表面残余应力测试方法

由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面

一、试样的表面处理

X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。

（1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。

（2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。

（3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。

（5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。

（6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。

二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。

被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ范围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。

在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。

若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分陶瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。

表2论文中出现的材料力学参数

材料

静态屈服强度MPa 静态杨氏模量GPa 动态杨氏模量GPa 泊松比ν TA2 Y

373 106 107 0.34-0.45 TC4 M

≥900 110 112 0.342 TC4

110 0.34

材料 构

数/0A

×-310/MPa 数K Ti

HCP a)2.950 113.4 0.321 CoKα (211) 142.3 -256.47 三、 选用滤波片

滤波片一般选择比靶材原子序数小1或2的材料。这样滤波片的K 吸收限正好落在靶材的Kα、K β之间，将Kβ背底去除，只剩下Kα。

原子序数 22 23 24 25 26 27 28 29 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu

表 1 不同X 射线管所用的滤波片

四、 确定衍射方法

Ψ角的选取

根据所用的衍射仪确定使用何种测试方法。一般采用sinψ2法或者0-45°法。对于侧倾法可根据试件的状态和形状在0°，±15°，±25°，±30°，±35°±40°及±45°中选择4-13个不同的必方向进行测量。在进行正负功角测量时，应将2θ+ψ和2θ-ψ值平均后，以2θψ对2sin ψ作图或计算来求得2sin J

ϕ,ψε-ψ的斜率，从而获得比较准确的应力测定值。侧倾

法的必角设置理论上可达到±70°。但一般并不设置过大的必角，只有当2sin J

ϕ,ψε-ψ的

关系出现非线性时才测量至大的Ψ角。若在大的功角下测量，即使是侧倾法，也最好使用与Ψ轴方向平行的狭窄的槽形发散光阑，以降低入射线的几何散焦。通常，为了提高精度可在0-45°之间选用4个ψ角（0°、

15°、30°、45°），其测量结果采用最小二乘法计算。

对于粗晶材料，在有限的 X 射线照射区域以内，参与衍射的晶粒数目较少，射晶面法线在空间不呈均匀连续分布，因而衍射强度较低，峰形较差，难以达到应有的测量精度。判断晶 粒是否粗大还有比较简便的办法：在固定的条件下，改变 x 射线照射位置，如果所得

衍射线形差别明显，净峰强度之差超过20%就可以判定是粗晶材料。为了解决粗晶材料的应力测定问题，除了采用固定ψ法以外，还可以考虑在允许的情况下增大照射面积，尽量选用多重性因子较大的晶面等措施。如果仍不奏效，就需要选择摆动法。摆动法的要点是：以步进扫描的θ-θ扫描测角仪为例，在扫描过程中，每一步都在保持接收角2θ不变的条件下，使2θ平面( 连同x射线管) 以指定的ψ方向为中心，在ψ平面内左右摆动一定的角度△ψ，在此摆动过程中计数。摆动法的实质是把相应于ψ±△ψ这样一个角度范围的衍射峰相叠加，近似地当作指定ψ角的衍射峰，客观上增加了参与衍射的晶粒数，把一些衍射强度较低而且峰形较差的峰叠加成为较为丰满、较少波动的峰，从而提高了粗晶材料的应力测量精度。

确定准焦斑直径。有ϕ1、ϕ1.5、ϕ3、ϕ4.5、ϕ6等直径可供选择。若材料无粗大晶粒、织构选用的准直管径越小越精确。若考虑材料可能局部晶粒粗大，选用较大一点的直径。具体根据需要而定。

五、入射光束张角、照射面积和接收光阑的选择

目前国产X射线应力测定仪为ϕ0.6，ϕ1和ϕ2 mm 的准直管作为人射光阑，另配ϕ3和ϕ4mm准直管备选( 表 3 ) ，ϕ4 mm用于特殊场合。前三种准直管对应的光束发散度分别为0.6 4°，1.0 6°, 和 1.8 9 °，大量试验证明采用这些准直管，应力测量系统误差均在允许的范围内. ϕ 3 mm准直管对应的光束发散度是 2.7 2 °，在实际测量中也经常使用，而且未见显著系统误差。进口的AS T和T E C公司的仪器提供的准直管也有5种，分别产生直径为ϕ 1 ，ϕ 2 ，ϕ 3 ，ϕ 4 和ϕ 5 mm的光斑。若从测量偶然误差角度考察，随着准直管直径的增大，X射线光通量显著增强，从而使得应力测量精度随之提高。

当然应当同时注意到，准直管直径越大，X射线照射面积也越大。操作者应当明确了解，测得的应力是X射线照射面之内的平均值。因此必须考虑被测试件的具体情况，合理确定照射面积的大小。首先应根据产生残余应力各种可能的原因，分析它的大小在试件表面各处是否会有很大的变化梯度。原则上讲，梯度小则照射面积允许大一些( 例如测定平面喷丸试件应力) ；如果应力梯度比较大( 例如测定焊接应力)，则应当选用直径较小的准直管。其次，应考虑被测工件的尺寸和形状；显然在小平面上或曲率半径较小的弧面上测试，必须选用直径较的准直管。为了合理地增大照射面积，有时操作还可以考虑使用狭缝式人射光阑。对于在一定方上存在明显应力梯度的试样，可以让狭缝与这个向垂直；对于小的圆柱或内圆弧试样，可以让狭缝行于试样的母线。

表3 当前国产应力仪准直管直径与相应的光束发散度和照射面积