CN104913866A - 辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法、装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法、控制测量条件稳定性的辅助装置和应用，使用射线衍射法测量薄板残余应力过程中通过对薄板施加外力以提高测量结果准确性。本发明在测量薄板残余应力时，先利用夹具将薄板水平固定，同时给薄板施加一定的水平方向拉力，在拉力的作用下，消除翘曲薄板自身重力对残余应力测量结果的影响，从而提高射线法测薄板残余应力结果的可靠性。本发明控制测量条件稳定性的辅助装置结构简单，操作方便，外力撤消后薄板残余应力将回复到其原始状态，可以重复进行测量。

Description

辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法、装置和应用

技术领域

本发明涉及一种材料的应力检测方法、装置和应用，特别是涉及一种薄板材料的应力检测方法、装置和应用，应用于材料应力和测量技术领域。

背景技术

铸造、热处理、轧制、分切等板带加工中会产生不同程度的残余应力。在后续的加工中会因为部分残余应力释放导致残余应力的重新分布，不仅使板带形状和尺寸发生变化，严重时造成卡机停工，并且板带的疲劳强度、脆断、应力腐蚀及高温蠕变开裂等性能都会因此受到影响。因此改善板形问题的根本在于需要了解并控制板带中残余应力的分布，板带的残余应力测量技术就显得尤为重要。

现有的残余应力测量方法根据被测试样是否被破坏而分为有损检测和无损检测两大类。其中有损检测方法以机械法为主，主要有钻孔法、栅条法、逐层剥离法、裂纹柔度法等；无损检测多为物理检测法，主要有X射线衍射法、中子射线衍射法、超声波法、磁性法等。薄板带板形对残余应力极其敏感，发生翘曲时的临界应力小，通常在几十兆帕。用钻孔法或逐层剥离法等常规机械方法检测会在制样过程中给试样施加较大的加工应力，从而影响到测量结果的准确性，且其对被测对象是破坏性的，不能重复测量；而无损检测中的中子射线衍射法、超声波法、磁性法等对测量设备和被测对象均有一定要求，故而现多选用X射线衍射法进行测量。

然而，在应用X射线衍射法对薄板的残余应力进行测量的过程中，由于薄板的残余应力受其自身重力影响较大，若薄板本身存在翘曲，则其放置位置、测量平台状况等外界因素均会改变其内部残余应力分布，这就导致薄板的残余应力数据重复性很差，测量结果不可靠。目前尚缺乏能够有效控制测量条件稳定性的手段。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法、装置和应用，在使用射线衍射法测量薄板残余应力过程中，通过对薄板施加外力以提高测量结果准确性，实现便捷的薄板残余应力重复测量和精确测量。

为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：

本发明通过对被测薄板施加一定外载荷来实现测量条件的稳定性。首先，将被测薄板试样的两端固定在平行的两套夹具上并锁紧。若能保证两端夹具在同一水平高度，即能确保薄板在测量过程中被水平放置，即可排除测量角度对测量结果的影响。此外，本发明提出，对被测薄板施加一定的拉力，使其在弹性范围内发生应变。一方面，当给被测薄板沿特定方向施加一定的拉力，则利用X射线衍射法测得的薄板残余应力是其本身的残余应力与一向受拉伸后产生应力两者综合作用的结果，一旦撤销该拉力作用，薄板的残余应力分布将回到其原来的状态。当所施加外载荷的大小一致、方向一致、受力面一致，则可以认为外载荷对薄板产生的作用效果一致。因此，测量相同规格的薄板残余应力时，沿特定方向施加相同大小的拉力，就相当于不同试样在同样的受拉条件下进行测量，即保证了测量条件的稳定性。另一方面，薄板受外力作用后，无论其原始翘曲方向如何，都以水平状态进行测量，因而可以避免其自身重力对测量结果造成的影响。因此，通过使用夹具对薄板进行固定并施加一定外力，可以消除重力及其他外界因素的影响，稳定测量条件，进而提高测量结果的可靠性。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法，利用两套夹具将被测薄板的两端进行水平锁紧固定后，保持两套夹具处于同一水平高度位置，通过施加设定大小的水平方向拉力外载荷对被测薄板进行拉伸，使被测薄板在弹性极限范围内发生应变，得到一个稳定测量条件，并在当前稳定测量条件下，记录对被测薄板施加的拉力大小，然后在当前稳定测量条件下用射线应力测试仪对薄板残余应力进行测量，再根据向被测薄板施加外载荷的大小和方向，确定未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力、向薄板施加的外载荷、在当前稳定测量条件下的利用射线衍射法测量得到的薄板残余应力这3个作用矢量参数方向，根据射线衍射法测得的薄板残余应力是未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力和向薄板施加的外载荷两者的综合作用关系，通过计算得到未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力。

作为本发明优选的技术方案，在薄板的弹性极限内，通过测量薄板的长度变化来控制向被测薄板施加拉力大小，或者通过在被测薄板上粘贴应变片并外接应力传感器来控制向被测薄板施加的拉力大小。

作为上述技术方案中进一步优选的技术方案，测量薄板残余应力的射线衍射法采用X射线衍射法或中子射线衍射法。

本发明还提供一种实施本发明辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法的控制测量条件稳定性的辅助装置，由底座、导轨、手柄螺杆、导轨滑块、下夹板、上夹板和夹具锁紧机构组成，两条平行的导轨平行固定安装在底座上，下夹板和上夹板组成的夹持机构包括两套，两套夹持机构的两片下夹板的上表面保持水平并保持空间高度平齐，其中一套夹持机构的下夹板固定安装在底座上，另一套夹持机构的下夹板固定安装在导轨滑块上，通过夹具锁紧机构对下夹板和上夹板施压能夹紧被测薄板的被夹持部位，手柄螺杆和导轨滑块上固定连接的螺母形成丝杠机构，手柄螺杆设置于两条导轨之间的中间位置处，手柄螺杆的轴向与导轨滑块的移动方向平行，通过旋转手柄螺杆驱动导轨滑块同时沿两条导轨直线移动，使两套夹持机构之间的水平距离发生改变。

作为本发明控制测量条件稳定性的辅助装置的优选技术方案，夹具锁紧机构由紧固螺栓和紧固螺母组成，通过锁紧紧固螺栓和紧固螺母使上夹板和下夹板对被测薄板的被夹持部位进行施压锁紧固定，下夹板和上夹板的夹持工作表面均开有一系列大小不同的V形沟槽。

作为本发明控制测量条件稳定性的辅助装置技术方案中进一步优选技术方案，在导轨、手柄螺杆或底座上设有长度标尺，通过导轨滑块的所处对应长度标尺的位置来表征导轨滑块的相对位移。

作为本发明控制测量条件稳定性的辅助装置技术方案中进一步优选技术方案，下夹板可升降定位地固定安装在导轨滑块上或底座上，下夹板的上表面高度可调。

本发明还提供一种本发明辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法应用，能适用于测量的被测薄板为冷轧板、热轧板和镀层板中的任意一种或在被测薄板制备工艺过程中不同工艺阶段下的薄金属板。

作为本发明应用的优选技术方案，能适用于测量的被测薄板由铁及铁合金、铝及铝合金、镁及镁合金中的任意一种材料制成。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 相比于现有直接将薄板置于测试平台测量，本发明通过外加拉力装置辅助射线衍射法进行薄板残余应力测量，采用夹具将薄板水平固定并拉直后测量，能够消除翘曲状态的薄板测量时其自身重力造成的影响，由于一定大小拉力的施加，相当于将不同薄板置于同样的测试条件下进行测量，因而可以增加残余应力测量结果的可靠性；

2. 本发明整个测量过程由装置施加的外力均在薄板的弹性应变范围内，不会使其产生塑性变形，在外力撤消后薄板的残余应力状态将回到其测量前状态，可以重复测量。

附图说明

图1是经过本发明实施例一控制测量条件稳定性的辅助装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，控制测量条件稳定性的辅助装置，由底座1、导轨2、手柄螺杆3、导轨滑块4、下夹板5、上夹板6和夹具锁紧机构组成，两条平行的导轨2焊于底座1上，下夹板5和上夹板6组成的夹持机构包括两套，两套夹持机构的两片下夹板5的上表面保持水平并保持空间高度平齐，其中一套夹持机构的下夹板5固定安装在底座1上，另一套夹持机构的下夹板5固定安装在导轨滑块4上，通过夹具锁紧机构对下夹板5和上夹板6施压能夹紧被测薄板的被夹持部位，手柄螺杆3和导轨滑块4下方固定连接的螺母形成丝杠机构，手柄螺杆3设置于两条导轨2之间的中间位置处，手柄螺杆3的手柄为梅花形，便于手动旋转施加载荷，手柄螺杆3的轴向与导轨滑块4的移动方向平行，通过旋转手柄螺杆3驱动导轨滑块4同时沿两条导轨2直线移动，使两套夹持机构之间的水平距离发生改变。在本实施例中，导轨2焊于底座1上、导轨滑块4平行设置两条导轨槽、手柄螺杆3设置于两条导轨2之间的中间位置处、下夹板5的固定安装结构和夹具锁紧机构的结构设置都在于当对待测薄板施加外加载荷时，保证施加载荷的条件具有很高的稳定性，保证实验测试的精确和测量过程的稳定，以此来保障使用X射线衍射法测量薄板残余应力过程中通过对薄板施加外力以提高测量结果准确性。

在本实施例中，参见图1，夹具锁紧机构由紧固螺栓7和紧固螺母8组成，通过锁紧紧固螺栓7和紧固螺母8使上夹板6和下夹板5对被测薄板的被夹持部位进行施压锁紧固定，下夹板5和上夹板6的夹持工作表面均开有一系列大小不同的V形沟槽，以增大接触摩擦力。

在本实施例中，参见图1，在导轨2上设有长度标尺，通过导轨滑块4的所处对应导轨2上的长度标尺的位置来表征导轨滑块4的相对位移。

在本实施例中，参见图1，采用厚度为0.3mm镀锡板，规格为30cm×30cm，作为辅助X射线衍射法测量薄板残余应力的方法的本实施例被测薄板，利用控制测量条件稳定性的辅助装置，采用辅助X射线衍射法测量薄板残余应力的方法，本实施例中控制测量条件稳定性的辅助装置的上夹板6和下夹板5的长度为40cm，将被测薄板置于上夹板6和下夹板5中间，使被测薄板的轧制方向或长度方向与上夹板6和下夹板5的长度方向垂直，将紧固螺栓7穿入上夹板6和下夹板5的通孔内，以紧固螺栓7的头部抵住下夹板5的下端面，拧紧紧固螺母8，使两套夹持机构的上夹板6和下夹板5将被测薄板的两端进行水平锁紧固定后，保持两套夹持机构的的两个下夹板5的上表面处于同一水平高度位置，通过手柄螺杆3使导轨滑块4向外移动，施加设定大小的水平方向拉力外载荷对被测薄板进行拉伸，直至手柄螺杆3无法转动为止，使被测薄板在弹性极限范围内发生应变，得到一个稳定测量条件，并在当前稳定测量条件下，通过观察导轨滑块4的所处对应导轨2上的长度标尺的位置，记录对被测薄板施加的拉力大小，然后在当前稳定测量条件下用X射线应力测试仪对薄板残余应力进行测量，再根据向被测薄板施加外载荷的大小和方向，确定未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力、向薄板施加的外载荷、在当前稳定测量条件下的利用X-350A型X射线衍射法测量得到的薄板残余应力这3个作用矢量参数方向，根据X射线衍射法测得的薄板残余应力是未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力和向薄板施加的外载荷两者的综合作用关系，通过计算得到未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力。将相同规格的不同被测薄板进行上述操作，置于X-350A型X射线应力测试仪下进行薄板残余应力测量，即可达到稳定测量条件的效果。

在本实施例中，参见图1，利用夹具将被测薄板水平固定后，通过施加一定大小的水平方向拉力，以消除薄板试样特有的翘曲变形及其自身重力等因素的影响，稳定测量条件，从而实现提高X射线衍射法测量薄板残余应力结果可靠性的目标。通过梅花手柄螺杆3和焊接在导轨滑块4下方的螺母来实现导轨滑块4的水平移动，从而对被测薄板施加水平拉力。

在本实施例中，参见图1，夹具尺寸可根据薄板规格进行调节和选择；所施加拉力的控制通过测量薄板的长度变化来实现。本发明使用X射线衍射法测量薄板残余应力过程中通过对薄板施加外力以提高测量结果准确性。在测量薄板残余应力时，先利用夹具将薄板水平固定，同时给薄板施加一定的水平方向拉力，在拉力的作用下，消除翘曲薄板自身重力对残余应力测量结果的影响，从而提高X射线法测薄板残余应力结果的可靠性。另外，本实施例控制测量条件稳定性的辅助装置结构简单，操作方便，外力撤消后薄板残余应力将回复到其原始状态，以便重复进行测量。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，控制测量条件稳定性的辅助装置的下夹板5可升降定位地固定安装在导轨滑块4上或底座1上，下夹板5的上表面高度可调，可以将待测薄板的高度固定在不同的空间水平高度上，满足根据待测薄板的特殊变形进行应力测试实验的特殊要求。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法、装置和应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法，其特征在于：利用两套夹具将被测薄板的两端进行水平锁紧固定后，保持两套夹具处于同一水平高度位置，通过施加设定大小的水平方向拉力外载荷对被测薄板进行拉伸，使被测薄板在弹性极限范围内发生应变，得到一个稳定测量条件，并在当前稳定测量条件下，记录对被测薄板施加的拉力大小，然后在当前稳定测量条件下用射线应力测试仪对薄板残余应力进行测量，再根据向被测薄板施加外载荷的大小和方向，确定未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力、向薄板施加的外载荷、在当前稳定测量条件下的利用射线衍射法测量得到的薄板残余应力这3个作用矢量参数方向，根据射线衍射法测得的薄板残余应力是未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力和向薄板施加的外载荷两者的综合作用关系，通过计算得到未向薄板施加外载荷时的薄板残余应力。

2.根据权利要求1所述辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法，其特征在于：在薄板的弹性极限内，通过测量薄板的长度变化来控制向被测薄板施加拉力大小，或者通过在被测薄板上粘贴应变片并外接应力传感器来控制向被测薄板施加的拉力大小。

3.根据权利要求1或2所述辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法，其特征在于：测量薄板残余应力的射线衍射法采用X射线衍射法或中子射线衍射法。

4.一种实施权利要求1所述辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法的控制测量条件稳定性的辅助装置，其特征在于：由底座（1）、导轨（2）、手柄螺杆（3）、导轨滑块（4）、下夹板（5）、上夹板（6）和夹具锁紧机构组成，两条平行的所述导轨（2）平行固定安装在所述底座（1）上，所述下夹板（5）和所述上夹板（6）组成的夹持机构包括两套，两套所述夹持机构的两片所述下夹板（5）的上表面保持水平并保持空间高度平齐，其中一套夹持机构的下夹板（5）固定安装在所述底座（1）上，另一套夹持机构的下夹板（5）固定安装在导轨滑块（4）上，通过夹具锁紧机构对所述下夹板（5）和所述上夹板（6）施压能夹紧被测薄板的被夹持部位，所述手柄螺杆（3）和导轨滑块（4）上固定连接的螺母形成丝杠机构，手柄螺杆（3）设置于两条所述导轨（2）之间的中间位置处，所述手柄螺杆（3）的轴向与所述导轨滑块（4）的移动方向平行，通过旋转所述手柄螺杆（3）驱动所述导轨滑块（4）同时沿两条所述导轨（2）直线移动，使两套所述夹持机构之间的水平距离发生改变。

5.根据权利要求4所述控制测量条件稳定性的辅助装置，其特征在于：所述夹具锁紧机构由紧固螺栓（7）和紧固螺母（8）组成，通过锁紧紧固螺栓（7）和紧固螺母（8）使所述上夹板（6）和所述下夹板（5）对被测薄板的被夹持部位进行施压锁紧固定，所述下夹板（5）和所述上夹板（6）的夹持工作表面均开有一系列大小不同的V形沟槽。

6.根据权利要求4或5所述控制测量条件稳定性的辅助装置，其特征在于：在所述导轨（2）、手柄螺杆（3）或所述底座（1）上设有长度标尺，通过导轨滑块（4）的所处对应长度标尺的位置来表征导轨滑块（4）的相对位移。

7.根据权利要求4或5所述控制测量条件稳定性的辅助装置，其特征在于：所述下夹板（5）可升降定位地固定安装在导轨滑块（4）上或所述底座（1）上，所述下夹板（5）的上表面高度可调。

8.一种权利要求1所述辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法应用，其特征在于：能适用于测量的所述被测薄板为冷轧板、热轧板和镀层板中的任意一种或在被测薄板制备工艺过程中不同工艺阶段下的薄金属板。

9.根据权利要求8所述辅助射线衍射法测量薄板残余应力的方法应用，其特征在于：能适用于测量的所述被测薄板由铁及铁合金、铝及铝合金、镁及镁合金中的任意一种材料制成。