CN102654468A - 一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，利用X射线衍射残余应力测量衍射技术，用小直径0.5mm的准直管控制光斑面积，在样品有效喷丸区内选择一面积为10*10mm正方形区域按1mm的间隔，对纵横两个方向进行应力云图测量，获取100个点的应力测量数据，分别求取残余应力平均值、方差及标准差，用标准差与平均应力值的比值作为表征表层残余应力均一性的指标。本发明属于一种无损检测技术，不需要破坏工件，对于同一种材料一旦建立起均一性表征指标，可对于相同的金属材料，不同喷丸工艺条件下表层残余应力均一性进行评价，测量精度高，可以广泛应用于金属件喷丸层均一性评估。

Description

一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法

技术领域

本发明属于材料分析测试技术领域，尤其是涉及一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，具体地说，是一种X射线衍射测量金属材料表层残余应力面分布的方法。

背景技术

喷丸强化技术，通过在材料表层引入残余压应力以及细化表层微观组织，可以有效提高金属工件疲劳性能，目前广泛应用于工业界。X射线衍射技术，理论基础比较严谨，实验技术日渐完善，受试样表面状态影响较小，衍射数据准确，测量结果十分可靠。目前，X射线应力仪可以在大型工件表面直接测量残余应力。因此采用X射线衍射技术测量金属材料表面喷丸工艺后残余应力的强度、分布以及其均一性，有利于监测喷丸工艺的效果，及时调整喷丸工艺，以提高金属工件疲劳寿命。

从事金属材料喷丸处理机理研究很多，国内外文献都大量报道。喷丸工艺只要包括常规喷丸，热喷丸，应力喷丸和复合喷丸等方式。不同的喷丸方式所达到的效果存在明显差异。具体表现在表面残余压应力，最大残余压应力及其层深，残余压应力整体层深这四方面的指标。

目前的理论研究通常都是单点测量数据结果，以单点作为理想的模型在整个喷丸面上进行的理论推广。在实际喷丸工艺处理后，仍存在工件局部抗氧化腐蚀能力弱，工件表面出现微裂纹等影响工件疲劳性能等问题。这实际上反映了工件表层喷丸工艺的不均一性。实际工件经一次喷丸处理后不可能成为理想的同一残余压应力表层，不同区域残余压应力值明显不同。只有当整个工件表层残余压应力值趋于一致，才能真正提高材料的疲劳性能。因此对材料表层残余压应力层的均一性评价显得万为重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，该方法无需破坏试样，对样品进行X射线应力云图测量，对同一类金属材料建立一套方差和标准差的评估指标。对实际喷丸工件云图测量后如发现其均一性指标太低，可进行二次或多次喷丸以达到需要的喷丸效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，包括以下步骤：

第一步，对金属材料进行喷丸处理，进行X射线衍射残余应力云图测量；

第二步，在获取100mm²内100个点的残余应力值的基础上，分别进行均值，方差和标准差的计算；

第三步，将标准差与均值之比(H)作为喷丸均一性的指标，对奥氏体不锈钢同类材料，当H＞0.35，均一性好，0.30＜H＜0.35，均一性中等，H＜0.30，均一性差。

对金属材料进行喷丸处理时，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。

进行X射线衍射残余应力云图测量时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面，奥氏体钢，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；普通碳钢选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片。

所述的云图测量是在材料喷丸区内，选择100mm²区域进行测量区设置，采用圆型光斑，准直管直径为0.5mm，以1mm为步长，沿XY两个方向进行逐点测量，最后获取100个点的残余应力数据。

X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，其它位置则消光。当晶格受力时会发生畸变，导致晶格常数发生变化，晶格参数的变化与宏观残余应力或外加应力密切相关。总体上，应力越大，晶格参数变化越大。

利用云图测量数据，计算100点的均值、方差和标准差，将标准差与均值之比建立均一性评估指标，计算出奥氏体不锈钢的均一性较好的评估指数H＞0.35。

由于金属材料表面存在微裂纹，晶块大小存在差别，气动喷丸工艺受弹丸材料、大小、速度，喷嘴与材料表面的距离、角度以及喷丸时间、覆盖率等诸多因素影响，实际喷丸效果在材料表面形成的残余压应力并不完全均一，一种喷丸条件难以获得理想的结果，因此采用喷丸均一性来评估喷丸工艺的效果。

通过特定面积云图特征建立的评价喷丸均一性指标，对同一工件的其它部位可以进行均一性评价，并可在同一类金属材料使用。利用此方法可建立不同材料均一性评估指标。

与现有技术相比，本发明利用X射线衍射残余应力云图测量获取的材料表层残余压应力面分布特征，建立标准差与残余压应力比值作为评价喷丸工艺表层残余压应力均一性的标志，能够快捷的表征材料不同区域的残余应力分布特征和均一性特征。与传统其它残余应力检测方法相比，检测不需要破坏试样，适用范围广，可以建立的评估指标可以供同类材料实地评估使用。

附图说明

图1为奥氏体不锈钢一次喷丸后表层残余应力分布特征(H＝0.23)；

图2为奥氏体不锈钢二次喷丸后表层残余应力分布特征(H＝0.31)；

图3为奥氏体不锈钢三次喷丸后表层残余应力分布特征(H＝0.37)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)原始材料喷丸处理

选择S30432奥氏体不锈钢材料，锻造后经过固熔处理，固熔处理温度为1100℃后随炉冷却至室温。经过线切割成尺寸为：30×30×5mm³。利用气动式喷丸机，对试样进行传统喷丸处理，制备喷丸强度试样。在本例中三次喷丸强度分别为：0.46mmA，0.46+0.23mmA，0.46+0.23+0.17mmA.。

(2)X射线衍射残余应力云图测量

利用X射线应力仪采集喷丸处理后云图数据，具体参数为：管电压：30Kv，管电流：25mA，Cr滤波片，Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面。云图测量的方法：用小直径0.5mm的准直管控制光斑面积，在样品有效喷丸区内选择一面积为10*10mm正方形区域按1mm的间隔，对纵横两个方向进行应力云图测量。

(3)建立喷丸均一性指标

方差和标准差的定义：样品各数据与样本平均数的差的平方和的平均数叫做样本方差；样本方差的算术平方根叫做样本标准差。样本方差和样本标准差都是衡量一个样本波动大小的量，样本方差或样本标准差越大，样本数据的波动就越大。

利用100个点的云图残余应力测试数据求得均值。再利用方差标准差计算公式：

s^2＝[(x1-x)^2+(x2-x)^2+......(xn-x)^2]/n

S＝{[(x1-x)^2+(x2-x)^2+......(xn-x)^2]/n}^1/2

求得方差S²和标准差S。

第一次喷丸残余应力的平均值和标准差分别为-756MPa，178；第二次喷丸残余应力的平均值和标准差分别为-550MPa，176；第三次喷丸残余应力的平均值和标准差分别为-443MPa，166。

用标准差与平均值的比值(记作H)，H＝S/X，其中S为标准差，X为平均值。三次喷丸的比值分别为0.23、0.31、0.37，喷丸后表层残余应力分布特征分别如图1-3所示。

从残余应力云图和其它实验一次喷丸材料表层残余应力值变化很大，表面参差不齐，离散度大，均一性差；二次喷丸后开始明显改善，离散度开始下降，均一性提高；三次喷丸后残余应力差距显著缩小，离散度最小，均一性良好。

由此，作如下定义：当H＜0.3，均一性差；当0.3＜H＜0.35，均一性中等；当H＞0.35，均一性好。

因此，将标准差与均值的比值(H)为均一性指标来评估喷丸工艺后材料性能的改善程度。当H＜0.35，需要进行再次喷丸处理，当H＞0.35时，表明喷丸工艺达到均一化，可以交付使用。

与传统残余应力测量相比较，X射线残余应力云图测量和H指标可应用在金属材料喷丸层均一性评估，优势明显，具有操作方便，结果可信度高。

实施例2

一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，包括以下步骤：

第一步，对普通碳钢进行喷丸处理，进行X射线衍射残余应力云图测量，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30秒，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片；

第二步，选择100mm²区域进行测量区设置，采用圆型光斑，准直管直径为0.5mm，以1mm为步长，沿XY两个方向进行逐点测量，最后获取100个点的残余应力数据。

X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，其它位置则消光。当晶格受力时会发生畸变，导致晶格常数发生变化，晶格参数的变化与宏观残余应力或外加应力密切相关。总体上，应力越大，晶格参数变化越大。

第三步，将标准差与均值之比(H)作为喷丸均一性的指标，对奥氏体不锈钢同类材料，当H＞0.35，均一性好，0.30＜H＜0.35，均一性中等，H＜0.30，均一性差。利用云图测量数据，计算100点的均值、方差和标准差，将标准差与均值之比建立均一性评估指标，计算出奥氏体不锈钢的均一性较好的评估指数H＞0.35。

由于金属材料表面存在微裂纹，晶块大小存在差别，气动喷丸工艺受弹丸材料、大小、速度，喷嘴与材料表面的距离、角度以及喷丸时间、覆盖率等诸多因素影响，实际喷丸效果在材料表面形成的残余压应力并不完全均一，一种喷丸条件难以获得理想的结果，因此采用喷丸均一性来评估喷丸工艺的效果。

通过特定面积云图特征建立的评价喷丸均一性指标，对同一工件的其它部位可以进行均一性评价，并可在同一类金属材料使用。利用此方法可建立不同材料均一性评估指标。

实施例3

一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，包括以下步骤：

第一步，对奥氏体钢进行喷丸处理，进行X射线衍射残余应力云图测量，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间90秒，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；

第二步，选择100mm²区域进行测量区设置，采用圆型光斑，准直管直径为0.5mm，以1mm为步长，沿XY两个方向进行逐点测量，最后获取100个点的残余应力数据。

X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，其它位置则消光。当晶格受力时会发生畸变，导致晶格常数发生变化，晶格参数的变化与宏观残余应力或外加应力密切相关。总体上，应力越大，晶格参数变化越大。

第三步，将标准差与均值之比(H)作为喷丸均一性的指标，对奥氏体不锈钢同类材料，当H＞0.35，均一性好，0.30＜H＜0.35，均一性中等，H＜0.30，均一性差。利用云图测量数据，计算100点的均值、方差和标准差，将标准差与均值之比建立均一性评估指标，计算出奥氏体不锈钢的均一性较好的评估指数H＞0.35。

由于金属材料表面存在微裂纹，晶块大小存在差别，气动喷丸工艺受弹丸材料、大小、速度，喷嘴与材料表面的距离、角度以及喷丸时间、覆盖率等诸多因素影响，实际喷丸效果在材料表面形成的残余压应力并不完全均一，一种喷丸条件难以获得理想的结果，因此采用喷丸均一性来评估喷丸工艺的效果。

通过特定面积云图特征建立的评价喷丸均一性指标，对同一工件的其它部位可以进行均一性评价，并可在同一类金属材料使用。利用此方法可建立不同材料均一性评估指标。

Claims (5)

1.一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步，对金属材料进行喷丸处理，进行X射线衍射残余应力云图测量；

第二步，在获取100mm²内100个点的残余应力值的基础上，分别进行均值，方差和标准差的计算；

第三步，将标准差与均值之比(H)作为喷丸均一性的指标，对奥氏体不锈钢同类材料，当H＞0.35，均一性好，0.30＜H＜0.35，均一性中等，H＜0.30，均一性差。

2.根据权利要求1所述的一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，其特征在于，对金属材料进行喷丸处理时，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。

3.根据权利要求1所述的一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，其特征在于，进行X射线衍射残余应力云图测量时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面，奥氏体钢，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；普通碳钢选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片。

4.根据权利要求1所述的一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，其特征在于，所述的云图测量是在材料喷丸区内，选择100mm²区域进行测量区设置，采用圆型光斑，准直管直径为0.5mm，以1mm为步长，沿XY两个方向进行逐点测量，最后获取100个点的残余应力数据。

5.根据权利要求1所述的一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，其特征在于，利用云图测量数据，计算100点的均值、方差和标准差，将标准差与均值之比建立均一性评估指标，计算出奥氏体不锈钢的均一性较好的评估指数H＞0.35。

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