CN102169033A - 一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对铝合金板材或简单结构形状的铝合金构件因热处理或其它原因在材料内部产生残余应力，采用容易获得的可工业化实用的重金属阳极靶的X射线管辐射，利用布拉格原理和弹性力学原理，通过无应力标样的制备获得参考原始晶面间距d₀，然后通过短波长X射线仪的定位，测出板材或构件内部所需测试部位材料的晶面间距，经计算得到该点的残余应力。通过此方法，可以获得沿板材不同厚度的X射线衍射谱，测试到相应点的残余应力，得到沿厚度方向的应力梯度。对于铝合金材料，测试的板材最大厚度可以在40mm以内。应力测试的仪器误差在20Mpa以内。

Description

一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种采用X射线衍射扫描无损检测铝合金板材内部残余应力的方法，也适合具有平行面铝合金构件内部应力沿厚度方向的定点分布无损检测。

背景技术

铝合金经过铸造挤压和热处理后产生极大的应力，这主要是由于板材在淬火的急速冷却过程中，板材的表面与心部的冷却速度不同，存在冷却梯度，使得板材的表面层受到附加压应力而心部受到拉应力，使板材产生极大的残余应力，板材越厚，这种热的梯度就越大，所产生的残余应力也越大，导致成品状态的板材机加工时产生变形，对于大厚型的铝板往往需要进行预拉伸以便减小因热处理产生的应力，预拉伸的目的是产生一定的应力以抵消部分热处理带来的残余应力，使最终产品的残余应力尽可能降低。预拉伸的变形量是决定最终残余应力大小的关键，但预拉伸的变形量需要根据淬火后板材的内部残余应力分布来确定，而目前内部残余应力的无损检测是个难题，

本发明就是针对此问题，采用短波长X射线衍射透射的方法，利用布拉格原理，对铝合金板材内部残余应力进行定点测定，其目的是可以进行预拉伸板拉升量的优化，实时掌握和控制铝板生产加工中的应力，促进航空业中的大飞机、航天飞行器及轨道交通能源中急迫需求各种铝板材的应用。

对晶体材料的应力无损测定世界上通用的是X射线衍射方法。但普通X射线管靶材只能进行晶体材料表面20微米以内的衍射，因此测定的应力实则是表面层的一个平均平面应力。要无损测定内部的应力只能通过中子衍射或同步辐射，而中子衍射需要先进反应堆，同步辐射需要极大的光源，两者都需要巨额投入，目前我国用中子衍射和同步辐射进行晶体材料内部应力的测试研究还在探索过程，国际上利用中子衍射和同步辐射对晶体材料残余应力已进行了相当的研究，但鉴于不同材料有其特殊性，因此在标样的制备等方法上也有所不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用重金属钨靶短波长x射线衍射仪无损测定铝合金板内部残余应力的方法。

本发明的技术方案如下：

(1)衍射体积中心位置的确定：将衍射仪2θ角固定在铝(111)晶面衍射峰位置，在样品架上固定薄铝箔片，将样品架垂直于散射矢量方向的轴(Z轴)以0.1mm步长移动，探测器记录每个位置固定时间的衍射强度，用高斯函数拟合或者重心法确定衍射体积中心位置；

(2)试样切割及测试位置选择：对待测铝合金板进行切割，轧向和横向尺寸切割至7-10倍厚度尺寸，将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向，衍射体积中心位于衍射仪理论圆心且位置固定，通过样品台的X、Y、Z轴和欧拉角(K)转动实现样品的不同区域进入衍射体积，实现样品不同区域的应力测定；K＝45度时，板横向平行于水平方向，此时通过Z轴的移动实现板厚不同位置的衍射谱提取；

(3)铝合金板横向晶面间距测量：选择好测试位置，衍射仪θ角转到2.5度，2θ角转到铝(111)晶面衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小，K角固定在衍射强度最大位置；厚度位置和K角位置选择好后，2θ角转到铝(111)晶面衍射峰附近开始测试，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度；

(4)铝合金板轧向晶面间距测量：K角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复步骤1.3的测试过程；

(5)无应力标样制备及参考晶面间距的测量：对铝合金板进行无应力参考标样的切割，根据往复运动的振幅大小将铝合金板邻近测试部位某区域利用线切割切成4～6mm(轧向)×4～6mm(横向)×板厚度尺寸(法向)多块小长方体单元，切割使用线切割，最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定，将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。

(6)测试数据进行计算：此时铝合金板应力计算的公式可以简化为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{RD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TD}}]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{RD}}]$

其中σ_RD、σ_TD分别是轧向和横向的残余应力，E_hkl、v_hkl分别是衍射所用晶面的弹性模量和泊松比，ε_RD、ε_TD分别是轧向和横向的应变由下式确定：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d-d_0}{d_0}=\frac{\mathrm{\λ}/2\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\λ}/2\sin {\mathrm{\θ}}_0}$

其中θ是铝合金板测出的布拉格衍射角的一半，θ₀是由无应力参考标样测出的布拉格衍射角的一半，θ和θ₀都是通过对衍射谱进行拟合而得来。

进一步的，所述步骤(3)中，针对粗晶，增加步骤如下：在同一厚度的X或Y方向的平行往复运动，以增大衍射的统计性。

进一步的，所述步骤(4)中，对于铝合金板中一般存在的黄铜织构Brass{011}<211>以及S织构{123}<634>，铝(111)晶面极密度最大位置在偏离轧向20度附近，如果轧向无法直接测量，可以测量此方向的(111)晶面间距，再通过弹性力学关系转换为轧向应变，计算公式如下：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&alpha;}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}}{{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}$

其中ε_RD是轧向的应变，ε_TD是测得的横向的应变，ε_α是测得的偏离轧向α角方向的应变。

本发明的有益效果是：本发明方法所用仪器与普通X射线衍射仪或应力仪相似，较中子衍射或同步辐射简单，成本低廉，可以用于企业实时监测。

附图说明

图1.a是入射和衍射光路及狭缝示意图，图1.b是衍射体积尺寸。

图2确定衍射体积中心的Z轴扫描图。

图3铝合金板与入射、衍射x射线束及X、Y、Z、K轴的关系。

图4确定测量时所用K角位置的K扫描图。

图5短波长x射线衍射仪所测得的铝合金淬火板(111)晶面及(200)晶面衍射峰。

图6 30mm厚7075淬火板轧向及横向残余应力沿厚度分布图。

图7 25mm厚2024预拉伸板轧向及横向残余应力沿厚度分布图。

具体实施方式

实验采用30mm厚7075淬火板和25mm厚2024预拉伸板，铝合金板淬火残余应力遵循“外压内拉”的分布规律，应力大小随淬火强弱表现出差异，由于淬火方式是对称进行的，理论上应力分布沿板厚对称分布，但对称分布只是一种简化研究的理想假设，事实上板越厚不均匀性越强，不同厚度上材质对力学性能的影响不同而导致内应力不同，因此在符合“外压内拉”规律的前提下，应力曲线会呈现一定的不规律性。2024铝合金预拉伸板采用内部应力较大可以产生加工变形的板料。

具体测试实例1

(1)衍射体积中心位置的确定：将衍射仪2θ角固定在铝(111)晶面衍射峰位置，在样品架上固定0.2mm铝箔，将样品架垂直于散射矢量方向(见图1.a)的轴(Z轴)以0.1mm步长移动，探测器记录每个位置固定时间的衍射强度(图2)，由于衍射体积(入射束和衍射束截交体积单元，见图1.b)中心所对应的位置衍射强度最大，用重心法确定衍射体积中心位置Z＝19.7mm，将Z轴置零。

(2)试样切割及测试位置选择：对待测30mm厚7075铝合金淬火板进行切割，轧向和横向尺寸切割至200mm。将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向(见图3)。通过Z轴的移动实现板厚5个不同位置(Z＝3，9，15(板中心)，21，27)的衍射谱提取。选择好测试位置，衍射仪θ角转到2.5度，2θ转到铝(111)衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小。K角固定在衍射强度最大位置(不同板厚度衍射强度最大位置与铝合金真实横向的偏角见图4)。

(3)铝合金板横向晶面间距测量：厚度位置和K角位置选择好后，2θ角转到4.7度测试开始，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度(图5)。测试如(2)所述K角方向使得衍射峰定峰的平均误差由0.0014°提高到0.0007°，所带来的益处远大于由角度偏离所带来的理论计算误差。根据实验测试，对于粗晶，±10mm的平行往复运动可以较好消除粗晶的影响。

(4)铝合金板轧向晶面间距测量：K角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复(3)中的测试。经测试表明7075淬火板(111)晶面极密度最大位置在偏离轧向19°位置上，且织构强度随板厚位置而变化，从图2中也可看出此规律。K角转动19°后测量此方向的(111)晶面间距，再通过下式计算轧向的应变：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{19}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}{\sin }^{2}19}{{\cos }^{2}19}$

其中ε_RD是轧向的应变，ε_TD是测得的横向的应变，ε₁₉是测得的偏离轧向19°角方向的应变。

(5)无应力标样制备及参考晶面间距的测量：对铝合金板进行无应力参考标样的切割，根据平行往复运动整个行程20mm确定切割成5×5大小的25块6mm(轧向)×6mm(横向)×30mm(法向)小长方体单元，切割过程使用线切割尽量避免附加应力的产生，最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定避免产生外加应力，将此堆垛块做为无应力参考标样。将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。

(6)对测试数据进行计算：计算依据以下的公式进行，计算结果见图6，结果显示淬火应力呈现“外压内拉”规律，且成抛物线规律，与理论实际符合。

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d-d_0}{d_0}=\frac{\mathrm{\&lambda;}/2\sin \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}]$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{TD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}]$

其中σ_RD、σ_TD分别是轧向和横向的残余应力，θ和θ₀都是通过对衍射谱进行拟合而得来板和无应力标样的衍射角的一半，ε_RD、ε_TD分别是轧向和横向的应变，E₁₁₁取77Gpa、v₁₁₁取0.33。

具体测试实例2

(1)衍射体积中心位置的确定：通过具体测试实例1中已经确定了衍射体积中心。

(2)试样切割及测试位置选择：对待测25mm厚2024铝合金预拉伸板进行切割，轧向和横向尺寸切割至200mm。将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向(见图3)。通过Z轴的移动实现板厚7个不同位置(Z＝3.5，6.5，9.5，12.5(板中心)，15.5，18.5，21.5)的衍射谱提取。选择好测试位置，衍射仪θ角转到2.5度，2θ转到铝(111)晶面衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小。K角固定在衍射强度最大位置。

(3)铝合金板横向晶面间距测量：厚度位置和K角位置选择好后，2θ角转到4.7度测试开始，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度。根据实验测试，±8mm的平行往复运动可以较好消除粗晶的影响。

(4)铝合金板轧向晶面间距测量：K角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复(3)中的测试。经测试表明2024预拉伸板(111)晶面极密度最大位置在偏离轧向20°位置上，且织构强度随板厚位置而变化，从图2中也可看出此规律。K角转动20°后测量此方向的(111)晶面间距，再通过下式计算轧向的应变：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{20}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}{\sin }^{2}20}{{\cos }^{2}20}$

其中ε_RD是轧向的应变，ε_TD是测得的横向的应变，ε₂₀是测得的偏离轧向20°角方向的应变。

(5)无应力标样切割及横向和轧向晶面间距测量：对铝合金板进行无应力参考标样的切割，根据平行往复运动整个行程确定切割成4×4大小的16块6mm(轧向)×6mm(横向)×25mm(法向)小长方体单元，切割过程使用线切割尽量避免附加应力的产生，最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定避免产生外加应力，将此堆垛块做为无应力参考标样。将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。

(6)对测试数据进行计算：计算依据以下的公式进行，计算结果见图7，结果显示预拉伸后的应力分布规律与淬火应力明显不同呈现“上下抖动”规律，这种分布规律与实际是相符合的。

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d-d_0}{d_0}=\frac{\mathrm{\&lambda;}/2\sin \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}]$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{TD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}]$

其中σ_RD、σ_TD分别是轧向和横向的残余应力，θ和θ₀都是通过对衍射谱进行拟合而得来板和无应力标样的衍射角的一半，ε_RD、ε_TD分别是轧向和横向的应变，E₁₁₁取77Gpa、v₁₁₁取0.33。

Claims (3)

1.一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，所述方法包括步骤如下：

1.1衍射体积中心位置的确定：将衍射仪2θ角固定在铝(111)晶面衍射峰位置，在样品架上固定薄铝箔片，将样品架垂直于散射矢量方向的轴(Z轴)以0.1mm步长移动，探测器记录每个位置固定时间的衍射强度，用高斯函数拟合或者重心法确定衍射体积中心位置；

1.2试样切割及测试位置选择：对待测铝合金板进行切割，轧向和横向尺寸切割至7-10倍厚度尺寸，将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向，衍射体积中心位于衍射仪理论圆心且位置固定，通过样品台的X、Y、Z轴和欧拉角(K)转动实现样品的不同区域进入衍射体积，实现样品不同区域的应力测定；K＝45度时，板横向平行于水平方向，此时通过Z轴的移动实现板厚不同位置的衍射谱提取；

1.3铝合金板横向晶面间距测量：选择好测试位置，衍射仪θ角转到2.5度，2θ角转到铝(111)晶面衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小，K角固定在衍射强度最大位置；厚度位置和K角位置选择好后，2θ角转到铝(111)晶面衍射峰附近开始测试，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度；

1.4铝合金板轧向晶面间距测量：K角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复步骤1.3的测试过程；

1.5无应力标样制备及参考晶面间距的测量：对铝合金板进行无应力参考标样的切割，根据往复运动的振幅大小将铝合金板邻近测试部位某区域利用线切割切成4～6mm(轧向)×4～6mm(横向)×板厚度尺寸(法向)多块小长方体单元，切割使用线切割，最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定，将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。

1.6测试数据进行计算：此时铝合金板应力计算的公式可以简化为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}]$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{TD}}=\frac{E_{\mathrm{hkl}}}{(1-v_{\mathrm{hkl}}^2)}[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}+v_{\mathrm{hkl}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}]$

其中σ_RD、σ_TD分别是轧向和横向的残余应力，E_hkl、v_hkl分别是衍射所用晶面的弹性模量和泊松比，ε_RD、ε_TD分别是轧向和横向的应变由下式确定：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d-d_0}{d_0}=\frac{\mathrm{\&lambda;}/2\sin \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}/2\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}$

其中θ是铝合金板测出的布拉格衍射角的一半，θ₀是由无应力参考标样测出的布拉格衍射角的一半，θ和θ₀都是通过对衍射谱进行拟合而得来。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，其特征在于：所述步骤1.3中，针对粗晶，增加步骤如下：

在同一厚度的X或Y方向的平行往复运动，以增大衍射的统计性。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，其特征在于：对于铝合金板中一般存在的黄铜织构Brass{011}<211>以及S织构{123}<634>，铝(111)晶面极密度最大位置在偏离轧向20度附近，如果轧向无法直接测量，可以测量此方向的(111)晶面间距，再通过弹性力学关系转换为轧向应变，计算公式如下：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{RD}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&alpha;}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{TD}}{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}}{{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}$

其中ε_RD是轧向的应变，ε_TD是测得的横向的应变，ε_α是测得的偏离轧向α角方向的应变。

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