CN108375438A - 一种xrd残余应力测量参数标定装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法，其中装置包括：加载手柄，底座，加载手柄固定端，加载丝杠，力传感器，试验件夹持移动端，滑轨，试验件，试验件夹持固定端，XRD残余应力测试装置和力传感器显示端。本发明针对XRD测试技术，提出一种残余应力测量参数标定装置和方法，使用大量级高精度的拉伸/压缩应力传感器，提高XRD残余应力测量参数精度，从而提高零部件残余应力测试准确性。

Description

一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法
技术领域
本发明涉及残余应力测试技术领域，特别是涉及一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法。
背景技术
零部件的使用安全与材料性能、使用环境、受载情况等多种因素密切相关，受载导致零部件内部产生应力，根据时间相关性将应力细分为时变应力和静态应力，其中静态应力产生途径可分析静态外载荷、残余应力等，后者的产生因素较多，如表面强化、热处理等。残余应力分为拉伸、压缩两种状态，一般认为拉伸残余应力对结构使役安全有不利影响而压缩残余应力则能够提高结构的使役安全性能，近年来，随着结构轻量化发展趋势和制造过程复杂程度的增加，制造过程中引起的残余应力也日渐显著，由此产生的不合理残余应力所导致的结构失效逐步增加，残余应力已成为制造、使用环节关注的重点问题之一。
评价残余应力的途径分为有损测试方法和无损测试方法两个大类，后者应用更为广泛，其中基于X射线衍射原理（XRD）的残余应力测试方法是应用最为普遍的残余应力测试技术，采用相似原理进行测量的方法还有高能射线残余应力测试技术，如高能XRD残余应力测试方法、中子衍射、同步辐射等。上述这些基于射线的测试技术原理如下，即将金属材料的基本构成——原子及其排布作为标尺，利用电磁波的衍射原理测量受载后原子之间的距离，将之与受载前原子之间距离进行对比，通过原子间间距的变化以及间距变化与应力之间的关系计算宏观残余应力。
XRD等残余应力测试方法中有两个关键参数，直接影响残余应力测试数据的准确性：无应力状态下被测材料的原子间距；原子间距变化量与宏观应力之间的关系，材料力学/结构力学称之为弹性模量，XRD测试中称之为弹性常数。在工程应用中，XRD测试方法面临着许多挑战，如：随着制造技术的进步，被测材料在显微组织上呈现出微观不连续性，被测材料往往由多个相组成，XRD测试过程中通常只对一个相中的原子间距进行测量，这个相的应力-变形规律与宏观的弹性模量之间通常存在差异，宏观数据如基于标准试验件获得的应力-应变难以用于提取该参数；某些合金材料在工程应用中，常常在主要组分不变的情况下对微量组元的含量进行微调，已达到特殊的用途，这种情况下，材料的弹性常数将发生改变，难以从手册获得已有文献中获得数据；某些情况下，结构中存在的残余应力水平较高，甚至接近材料的屈服极限。
由于结构残余应力对零部件强度具有显著影响，而残余应力测试过程中存在诸多影响因素，需要一种精确确定结构残余应力测量参数的方法，目前常用的修正方法如下：
第一，以四点弯曲法为代表的标定方法：这一类XRD测量参数标定方法采用相同材料的薄片为试验对象，在薄片的一个表面安装应变片，在试验件上施加纯弯曲载荷，通过应变片采集应变信号，通过应力-应变本构关系计算得到加载应力水平，同时，采用XRD方法测试另一侧表面应力数据，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。
第二，以等强梁为代表标定方法通过设计外接近梯形的板状试验件，试验件通过悬臂夹持，在试验件自由端施加集中载荷，通过数学计算获得表面的应力，同时，通过XRD方法测试应力，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。
第三，采用薄板状试验件的标定方法，对板状试验件施加载荷，在试验件自由端施加集中载荷，通过数学计算获得表面的应力，同时，通过XRD方法测试应力，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。
当前常用的残余应力方法为X光衍射方法，针对上述列举的问题，常采用四点弯曲法；等强梁法标定测量参数，标定过程中通过将特定装置输出的载荷数据和XRD装置测试结果进行对比，通过线性回归等方法修正测量参数，这些测试方法存在主要不足：
四点弯曲方法，由于该方法采用应变片获得试验件表面的应变数据，必须通过胡克定律获得基准应力数据，即不能够直接给出应力数据，需要通过弹性模量作为中介才能够获得理论应力，而弹性模量测量过程存在误差并且不同试验件弹性模量之间存在差异，两方面因素导致测量参数基准应力不可靠，此外，四点弯曲法试验装置能够在试验件上生成的应力水平不高，通常不超过600MPa，该方法标定的参数不适用于测试较高残余应力零部件。
采用等强梁、四点弯曲等方法，标定过程中的极限应力水平不会太高，对于等强梁而言，应力水平较高将导致结构变形过大，使得背侧面与XRD测试装置中的射线发生器不垂直，引入测试误差，四点弯曲试验装置加载水平受制于加载方式，不可能产生较大应力，对于高残余应力水平测试要求，测试数据将在标定数据区域之外，导致测试误差。
采用四点弯曲、等强梁、板状试验件的标定方法，通常只能产生拉伸应力，而工程实践中，拉伸、压缩应力并存，而当应力水平较高时拉伸、压缩响应规律是不完全相同的，因此可能带来误差。
薄板试验件拉伸测试：这类方法主要缺点为只能在试验件中提供拉伸状态的标定应力，在施加压缩应力时，薄板容易发生屈曲失稳，因而不能对压缩状态的测量参数进行标定，而在应力水平较高时，拉伸、压缩的微观胡克定律通常不完全一致，如果采用基于拉伸数据标定的参数计算高量级的压缩残余应力将导致测试误差。
发明内容
本发明提供了一种用于标定被测物XRD残余应力测量参数的装置和方法。
本发明提供了一种XRD残余应力测量参数标定装置，包括：加载手柄，底座，加载手柄固定端，加载丝杠，力传感器，试验件夹持移动端，滑轨，试验件，试验件夹持固定端，XRD残余应力测试装置和力传感器显示端；所述加载手柄固定端，滑轨和试验件夹持固定端依次固定连接在所述底座上，所述加载手柄连接在所述加载手柄固定端上，且与所述加载丝杠驱动连接，所述试验件夹持移动端可滑动地连接在所述滑轨上，所述力传感器设置在所述加载丝杠和所述试验件夹持移动端之间，加载丝杠与力传感器之间通过滚子轴承连接，两者间仅能传递与加载丝杠轴向相平行的载荷，所述试验件安装在所述试验件夹持移动端和所述试验件夹持固定端之间，所述XRD残余应力测试装置设置在所述试验件的一侧，所述力传感器显示端与所述力传感器信号连接，所述加载手柄，加载丝杠和试验件同轴设置。
进一步地，所述试验件形状为杆状或空心杆状，包括夹持端，测试段和过渡段，所述夹持端位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小。
进一步地，所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。
进一步地，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍。
进一步地，所述加载丝杠的螺距小于1.5mm。
本发明针对XRD测试技术，提出一种残余应力测量参数标定装置，使用大量级高精度的拉伸/压缩应力传感器，提高XRD残余应力测量参数精度，从而提高零部件残余应力测试准确性。
本发明还提供了一种XRD残余应力测量参数标定方法，包括：
1）从真实零部件或者与真实零部件材料状态相同的毛坯上切取材料，进行退火处理，以避免材料内部存在过大的残余应力，通过对材料形状进行加工制备出试验件；
2）将试验件固定在试验件夹持移动端和试验件夹持固定端之间，转动加载手柄带动加载丝杠转动，进而带动安装在导轨上的试验件夹持移动端运动，逐步增加施加在试验件上的载荷；
3）读取力传感器显示端示数，获得施加在试验件上的载荷的数值，根据施加在试验件上的载荷和试验件测试段的横截面积计算出理论应力的值，同时读取XRD残余应力测试装置的结果，得出对应的测试应力的值，以理论应力和测试应力作为坐标轴建立坐标系，通过调整XRD残余测试装置计算机系统中预设的弹性常数，使得坐标点连线与X轴的夹角为45度，此时的弹性常数即为试验件的测量参数。
进一步地，所述步骤1）包括：将试验件加工成杆状或空心杆状，包括夹持端，测试段和过渡段，所述夹持端位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小。
进一步地，所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。
进一步地，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍。
进一步地，所述步骤2）包括：按照被测量对象状态进行选择性标定，当被测对象为挤压残余应力时，对试验件施加压缩载荷，当被测对象为拉伸残余应力时，对试验件施加拉伸载荷，在逐步增加施加在试验件上的载荷过程中，在目标最大载荷范围内，选取4~5个测量点，并通过控制加载手柄，使载荷达到选取的测量点。
本发明针对XRD残余应力测试技术提出一种残余应力测量参数标定方法，相对于现有方法具有以下进步点：采用力传感器读取载荷水平，结合可直接测量的几何参数获得加载到试验件上的应力水平，是一种直接获得应力方法，应力精度由力传感器标定精度，几何测试精度决定，相对传统四点弯曲试验中通过应变信号和应力-应变本构关系获得考核部位应力水平而言，精度更高；采用棒状空心结构试验件代替传统平板状试验件，提高了试验件的抗屈曲性能，实现了同时对拉伸、压缩弹性常数的标定；采用高刚性的试验件和高刚性的加载装置，可以获得接近屈服极限的应力水平，提高了XRD测量参数的标定范围，提高了测量参数的标定精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种XRD残余应力测量参数标定装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种XRD残余应力测量参数标定装置的试验件的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种XRD残余应力测量参数标定方法的流程图。
附图中标记为：
1 加载手柄
2 底座
3 加载手柄固定端
4 加载丝杠
5 力传感器
6 试验件夹持移动端
7 滑轨
8 试验件
81 夹持端
82 测试段
83 过渡段
9 试验件夹持固定端
10 XRD残余应力测试装置
11 力传感器显示端。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种XRD残余应力测量参数标定装置，如图1所示，包括：加载手柄1，底座2，加载手柄固定端3，加载丝杠4，力传感器5，试验件夹持移动端6，滑轨7，试验件8，试验件夹持固定端9，XRD残余应力测试装置10和力传感器显示端11；所述加载手柄固定端3，滑轨7和试验件夹持固定端9依次固定连接在所述底座2上，所述加载手柄1连接在所述加载手柄固定端3上，且与所述加载丝杠4驱动连接，所述试验件夹持移动端6可滑动地连接在所述滑轨7上，所述力传感器5设置在所述加载丝杠4和所述试验件夹持移动端6之间，加载丝杠4与力传感器5之间通过滚子轴承连接，两者间仅能传递与加载丝杠4轴向相平行的载荷，所述试验件8安装在所述试验件夹持移动端6和所述试验件夹持固定端9之间，所述XRD残余应力测试装置10设置在所述试验件8的一侧，所述力传感器显示端11与所述力传感器5信号连接，所述加载手柄1，加载丝杠4和试验件8同轴设置。
其中，如图2所示，所述试验件8形状为杆状或空心杆状，包括夹持端81，测试段82和过渡段83，所述夹持端81位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段82位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段83位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小，所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。优选地，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍，所述加载丝杠的螺距小于1.5mm。本发明中采用空心杆状的试验件能够克服现有技术中薄板试验件拉伸测试容易发生屈曲失稳的缺陷，提高了试验件的抗屈曲性能，同时可以实现同时对拉伸、压缩弹性常数的标定。
本发明针对XRD测试技术，提出一种残余应力测量参数标定装置，使用大量级高精度的拉伸/压缩应力传感器，提高XRD残余应力测量参数精度，从而提高零部件残余应力测试准确性。
本发明还提供了一种XRD残余应力测量参数标定方法，如图3所示，包括：
步骤S1，从真实零部件或者与真实零部件材料状态相同的毛坯上切取材料，进行退火处理，以避免材料内部存在过大的残余应力，通过对材料形状进行加工制备出试验件；
步骤S2，将试验件固定在试验件夹持移动端和试验件夹持固定端之间，转动加载手柄带动加载丝杠转动，进而带动安装在导轨上的试验件夹持移动端运动，逐步增加施加在试验件上的载荷；
步骤S3，读取力传感器显示端示数，获得施加在试验件上的载荷的数值，根据施加在试验件上的载荷和试验件测试段的横截面积计算出理论应力的值，同时读取XRD残余应力测试装置的结果，得出对应的测试应力的值，以理论应力和测试应力作为坐标轴建立坐标系，通过调整XRD残余测试装置计算机系统中预设的弹性常数，使得坐标点连线与X轴的夹角为45度，此时的弹性常数即为试验件的测量参数。
其中，所述步骤1）包括：将试验件加工成杆状或空心杆状，包括夹持端，测试段和过渡段，所述夹持端位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小。所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。优选地，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍。所述步骤2）包括：按照被测量对象状态进行选择性标定，当被测对象为挤压残余应力时，对试验件施加压缩载荷，当被测对象为拉伸残余应力时，对试验件施加拉伸载荷，在逐步增加施加在试验件上的载荷过程中，在目标最大载荷范围内，选取4~5个测量点，并通过控制加载手柄，使载荷达到选取的测量点。每个阶段的应力水平通过如下公式计算：。其中，当所述试验件横截面为圆形时，横截面积，其中d表示直径；当所述试验件横截面为圆环形时，横截面积，其中d1表示外径，d21表示内径；当所述试验件横截面为空心正方形时，横截面积，其中a1为外边长，a2为内边长；当所述试验件横截面为空心方形时，横截面积，其中a1，a2为边长，t为壁厚。最后按照公式计算测试段的应力水平。
在本发明的一个具体实施例中，针对工程常用的高氧钛合金结构开展残余应力测试工作，从相同状态材料上取样制备试验件，开展XRD测量参数标定：
采用线切割方法按照图2所示的几何特点制备试验件，试验件外径15mm，内径13试验段长度为75mm；选取加载装置主要参数如下：丝杠的螺距为1.0mm，力传感器最的大受力为50kN。
设置最高目标应力为800MPa，结合试验件的横截面积，得出选择的测量点的载荷，控制加载手柄使得力传感器为0kN，8792kN，17584kN，26376kN，35168kN，保载并当传感器数值稳定后读取XRD测量应力；
绘制理论应力-测试应力坐标系，通过两分法或其他方法调整XRD内部弹性常数，使得理论应力-测试应力坐标系中数据连线与水平轴成45度，记录此刻的弹性常数作为相应钛合金的测量参数。
本发明针对XRD残余应力测试技术提出一种残余应力测量参数标定方法，相对于现有方法具有以下进步点：采用力传感器读取载荷水平，结合可直接测量的几何参数获得加载到试验件上的应力水平，是一种直接获得应力方法，应力精度由力传感器标定精度，几何测试精度决定，相对传统四点弯曲试验中通过应变信号和应力-应变本构关系获得考核部位应力水平而言，精度更高；采用棒状空心结构试验件代替传统平板状试验件，提高了试验件的抗屈曲性能，实现了同时对拉伸、压缩弹性常数的标定；采用高刚性的试验件和高刚性的加载装置，可以获得接近屈服极限的应力水平，提高了XRD测量参数的标定范围，提高了测量参数的标定精度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种XRD残余应力测量参数标定装置，其特征在于，包括：
加载手柄，底座，加载手柄固定端，加载丝杠，力传感器，试验件夹持移动端，滑轨，试验件，试验件夹持固定端，XRD残余应力测试装置和力传感器显示端；
所述加载手柄固定端，滑轨和试验件夹持固定端依次固定连接在所述底座上，所述加载手柄连接在所述加载手柄固定端上，且与所述加载丝杠驱动连接，所述试验件夹持移动端可滑动地连接在所述滑轨上，所述力传感器设置在所述加载丝杠和所述试验件夹持移动端之间，加载丝杠与力传感器之间通过滚子轴承连接，所述试验件安装在所述试验件夹持移动端和所述试验件夹持固定端之间，所述XRD残余应力测试装置设置在所述试验件的一侧，所述力传感器显示端与所述力传感器信号连接，所述加载手柄，加载丝杠和试验件同轴设置。
2.如权利要求1所述的XRD残余应力测量参数标定装置，其特征在于，所述试验件形状为杆状或空心杆状，包括夹持端，测试段和过渡段，所述夹持端位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小。
3.如权利要求2所述的XRD残余应力测量参数标定装置，其特征在于，所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。
4.如权利要求3所述的XRD残余应力测量参数标定装置，其特征在于，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍。
5.如权利要求1所述的XRD残余应力测量参数标定装置，其特征在于，所述加载丝杠的螺距小于1.5mm。
6.一种XRD残余应力测量参数标定方法，其特征在于，包括：
1）从真实零部件或者与真实零部件材料状态相同的毛坯上切取材料，进行退火处理，以避免材料内部存在过大的残余应力，通过对材料形状进行加工制备出试验件；
2）将试验件固定在试验件夹持移动端和试验件夹持固定端之间，转动加载手柄带动加载丝杠转动，进而带动安装在导轨上的试验件夹持移动端运动，逐步增加施加在试验件上的载荷；
3）读取力传感器显示端示数，获得施加在试验件上的载荷的数值，根据施加在试验件上的载荷和试验件测试段的横截面积计算出理论应力的值，同时读取XRD残余应力测试装置的结果，得出对应的测试应力的值，以理论应力和测试应力作为坐标轴建立坐标系，通过调整XRD残余测试装置计算机系统中预设的弹性常数，使得坐标点连线与X轴的夹角为45度，此时的弹性常数即为试验件的测量参数。
7.如权利要求6所述的XRD残余应力测量参数标定方法，其特征在于，所述步骤1）包括：
将试验件加工成杆状或空心杆状，包括夹持端，测试段和过渡段，所述夹持端位于试验件的两端且横截面最大，所述测试段位于试验件的中部且横截面最小，所述过渡段位于所述夹持端和所述测试段之间且横截面由夹持端向测试段逐渐变小。
8.如权利要求7所述的XRD残余应力测量参数标定方法，其特征在于，所述测试段的横截面为圆形、圆环形、正方形或者矩形。
9.如权利要求8所述的XRD残余应力测量参数标定方法，其特征在于，所述测试段的截面最小尺寸不小于15mm，且所述试验件的试验段长度不小于所述测试段截面最大尺寸的5倍。
10.如权利要求6所述的XRD残余应力测量参数标定方法，其特征在于，所述步骤2）包括：
按照被测量对象状态进行选择性标定，当被测对象为挤压残余应力时，对试验件施加压缩载荷，当被测对象为拉伸残余应力时，对试验件施加拉伸载荷，在逐步增加施加在试验件上的载荷过程中，在目标最大载荷范围内，选取4~5个测量点，并通过控制加载手柄，使载荷达到选取的测量点。
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