CN111207869A - 一种增材产品残余应力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材产品残余应力测试方法，先通过电解抛光，将粗糙的增材产品表面进行抛光，然后通过控制电解的腐蚀电流和时间参数，实现对产品的逐层深入的剥层，然后在逐层深入剥层的过程中，通过X射线衍射方法测量沿剥层深度方向残余应力，本发明实施例提供的测试方法，不仅解决增材产品表面粗糙，无法直接测量的问题，同时克服了单纯X射线测量技术只能测表面的局限性，实现了增材产品深度方向残余应力的测量，同时具有操作简单，深度可控的优点。

Description

一种增材产品残余应力测试方法
技术领域
本发明涉及残余应力测试方法技术领域，特别是指一种增材产品残余应力测试方法。
背景技术
材料中发生不均匀的弹性形变或不均匀的弹塑性形变会产生残余应力，残余应力是材料弹性各向异性和塑性各向异性的反映。单晶材料是各向异性体，多相多晶体材料虽然在宏观上表现为各向同性，但在微区，由于晶界的存在和晶粒的不同取向，弹塑性变形是不均匀的。实际工程应用中，造成材料不均匀变形的原因主要有：(1)冷热变形时沿截面弹塑性变形不均匀；(2)加热或冷却时其内部温度分布不均匀，从而导致热胀冷缩不均匀；(3)热处理时不均匀的温度分布引起相变过程的不同步性。材料在加工和处理过程中上述因素都难以避免，因而在机件中残余应力是必然存在的。
增材制造是近年来新型的产品成型过程，属于快速凝固加工过程，但又比传统工艺过程复杂，层层堆叠的过程使得产品的热分布处于不断变化的过程，因此，增材产品成型后存在较大的残余应力，需要经过后处理，消除产品残余应力后才能应用。目前对增材产品残余应力的测试方法有超声法、磁性法、X射线衍射法、盲孔法和中子衍射法。
申请人研究发现，上述测量方法中超声法测量可靠性还没达到广泛应用的程度；磁性法仅适用于铁磁性材料，有一定的局限性；盲孔法对产品造成二次破坏，产生新的残余应力；中子衍射法由于设备昂贵，很难工业化推广应用；X射线衍射法为最广泛应用的测试方法，但由于X射线穿透深度有限，只能局限于表面残余应力测量，无法实现产品内部残余应力的测量，同时增材产品的表面粗糙度也限制了上述方法的直接应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种增材产品残余应力测试方法，实现对增材产品内部残余应力的测量。
基于上述目的本发明提供的一种增材产品残余应力测试方法，包括如下步骤，
样品安装：将样品与电解装置的一极相连，电解装置的另一极与电解液相连；
电解抛光：调节电解装置电流为0.5～3.5A，先对样品表面进行电解抛光处理10～30s，然后对样品逐层进行电解剥层处理；
残余应力测量：采用X射线对样品沿剥层深度方向进行残余应力测量，其中，残余应力满足如下关系式，
Figure BDA0002380973920000021
E为弹性模量，μ为泊松比，θ0为无应力时的布拉格角，θ为有应力时的布拉格角，k为应力常数，m为应力因子。
在一些可选实施例中，所述对样品逐层进行电解剥层处理中，电解液为饱和的氯化钠溶液，电压为6.5～10.5V，电流为0.5～1.25A，每层处理时间为1.5～2.5min。
在一些可选实施例中，所述对样品逐层进行电解剥层处理中，单次剥层的深度为80～150μm。
在一些可选实施例中，所述残余应力测量中，X射线的入射角为25～45°。
在一些可选实施例中，所述残余应力测量中，X射线的穿透深度为10.3～11.5μm。
在一些可选实施例中，所述先对样品表面进行电解抛光处理10～30s，抛光后的样品表面粗糙度Ra＜10μm。
在一些可选实施例中，所述增材产品为具有晶体结构的金属产品。
在一些可选实施例中，所述金属产品包括但不限于钢铁材料、铝合金、钛合金材料。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种增材产品残余应力测试方法，先通过电解抛光，将粗糙的增材产品表面进行抛光，然后通过控制电解的腐蚀电流和时间参数，实现对产品的逐层深入的剥层，然后在逐层深入剥层的过程中，通过X射线衍射方法测量沿剥层深度方向残余应力，本发明实施例提供的测试方法，不仅解决增材产品表面粗糙，无法直接测量的问题，同时克服了单纯X射线测量技术只能测表面的局限性，实现了增材产品深度方向残余应力的测量，同时具有操作简单，深度可控的优点。
附图说明
图1为本发明实施例电解剥层设备原理示意图；
图2为本发明实施例测试样品图；
图3为本发明实施例样品厚度方向残余应力测量结果图。
具体实施方式
为下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
现有技术中可知的是，由于X射线穿透深度有限，仅限于浅表面测量，X射线以一定的角度θ0照射到无应力的晶体上时，相邻两个原子面(面间距为d0)散射的X射线的光程差正好等于波长λ的整数倍，则在对称于晶面法向的相同角度处出现一束强度为I的衍射线，即满足布拉格方程：2d0 sinθ0＝nλ。当多晶材料存在残余应力时，在X射线衍射谱上有所反应，会发生位移、宽化及强度降低的效应，通过分析衍射信息，实现残余应力的测试。由于X射线发生衍射的穿透深度有限，对钢材只有几个微米的深度，大大限制了X射线衍射法在较厚构件中的应用。
为此，本发明提供一种增材产品残余应力测试方法，实现对增材产品内部残余应力的测量。本发明提供的一种增材产品残余应力测试方法，包括如下步骤，
样品安装：将样品与电解装置的一极相连，电解装置的另一极与电解液相连；
电解抛光：调节电解装置电流为0.5～3.5A，先对样品表面进行电解抛光处理10～30s，然后对样品逐层进行电解剥层处理；
残余应力测量：采用X射线对样品沿剥层深度方向进行残余应力测量，其中，残余应力满足如下关系式，
Figure BDA0002380973920000031
E为弹性模量，μ为泊松比，θ0为无应力时的布拉格角，θ为有应力时的布拉格角，k为应力常数，m为应力因子。
根据增材产品焊接构件的特点，目前采用电化学腐蚀剥层法来测定增材产品内部残余应力沿层深的分布，即通过电解腐蚀增材产品内部逐层露出，以测量各层的残余应力，因其不会像机加、研磨等方法引入附加应力，而成为一种较理想的处理方法。电化学腐蚀剥层的原理是一极与电解液相连，另一极与样品相连，通过调节腐蚀电流和时间参数，控制剥层深度，并且保证剥层后表面呈金属光泽，粗糙度符合测量要求。通过X射线衍射方法测量沿剥层深度方向残余应力，本发明实施例提供的测试方法，不仅解决增材产品表面粗糙，无法直接测量的问题，同时克服了单纯X射线测量技术只能测表面的局限性，实现了增材产品深度方向残余应力的测量，同时具有操作简单，深度可控的优点。
举例来说，以2Al2铝合金为例，2A12为Al-Cu-Mg系硬铝合金，密度为2.78g/cm3。是一种高强度硬铝合金，有一定的耐热性，其抗拉强度σb≥410Mpa，屈服强度σs≥265Mpa；具体成分含量如表1所示。
表1 2Al2铝合金具体成分含量表
Figure BDA0002380973920000041
本发明实施例提供的一种增材产品残余应力测试方法，目的是将X射线衍射法和电解抛光技术相结合，可以突破表面残余应力测量的局限。主要步骤包括，通过电解抛光技术，对金属样品晶体表面局部进行电解抛光，然后通过控制参数，实现表面逐层深入的过程；在厚度深入过程中再通过X射线衍射方法测量厚度方向残余应力。具体的包括如下步骤，
样品的准备，选择具有晶体结构的金属样品，本实施例为2Al2铝合金；
样品安装，将样品与电解装置的一极相连，电解装置的另一极与饱和氯化钠电解液相连；形成电解回路；
电解抛光：调节电解装置电流为2A，对样品指定测量位置进行电解抛光20s，指定测量位置具有近平面，表面光滑，抛光后的样品表面粗糙度Ra经检测为8μm；然后在表面抛光的指定位置对样品逐层进行电解剥层处理；在进行电解剥层处理时，电压为10V，电流为1.1A，每层处理时间为2min，单次剥层的深度为100μm；其中，电解抛光示意图如图1所示，剥层后样品形貌如图2所示。
残余应力测量：采用STRESS3000 X射线衍射仪，采用直径为75mm的测角仪，工作电压为30kV，工作电流为9mA。采用X射线衍射技术对指定位置进行测量，并随剥层深度方向进行。首先确定X射线的入射角，铝合金对(311)面选用25℃，(222)面选用35℃，其次调试距离，将测角仪放置在样品表面调零，再将测角仪放到探头上，调整探头角度，经过两次相互垂直的调整，使探头表面与样品被检面平行。同时选择的靶源保持X射线的穿透深度为10.3～11.5μm，以减少X射线的穿透，对样品进行烧伤，
其中，残余应力满足如下关系式，
Figure BDA0002380973920000051
E为弹性模量，μ为泊松比，θ0为无应力时的布拉格角，θ为有应力时的布拉格角，k为应力常数，m为应力因子。
通过对不同深度的测量，检测到的剥层后的样品内部残余应力测试结果如图3所示。说明8号位置残余应力值最大，且不同点位的残余应力不同，随着深度的深入，残余应力变化也不相同，通过比对发现，这种变化和样品的变形直接密切相关。
举例来说，以桥梁用钢16Mn9为例，具体成分见表2所示。
表2钢16Mn9具体成分含量表
Figure BDA0002380973920000052
在采用X射线进行测量时，选用入射角为35°通过测量200μm和300μm的残余应力如表3所示。
表3钢16Mn9残余应力测量结果
Figure BDA0002380973920000053
通过表3的数据显示，对于同一样品，不同的位置和不同的深度残余应力值均不相同，且不同深度的残余应力变化之间没有必然的联系，但通过对样品的形状和测量数据的分析，得到的结果是一致的，即残余应力的变化与形变密切相关，与表面形貌的相关性较低。
通过本发明实施例的电解剥层和X射线的联用，可以对样品进内部残余应力的测试，有利于对样品性能的分析。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增材产品残余应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤，
样品安装：将样品与电解装置的一极相连，电解装置的另一极与电解液相连；
电解抛光：调节电解装置电流为0.5～3.5A，先对样品表面进行电解抛光处理10～30s，然后对样品逐层进行电解剥层处理；
残余应力测量：采用X射线对样品沿剥层深度方向进行残余应力测量，其中，残余应力满足如下关系式，
Figure FDA0002380973910000011
E为弹性模量，μ为泊松比，θ0为无应力时的布拉格角，θ为有应力时的布拉格角，k为应力常数，m为应力因子。
2.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述对样品逐层进行电解剥层处理中，电解液为饱和的氯化钠溶液，电压为6.5～10.5V，电流为0.5～1.25A，每层处理时间为1.5～2.5min。
3.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述对样品逐层进行电解剥层处理中，单次剥层的深度为80～150μm。
4.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述残余应力测量中，X射线的入射角为25～45°。
5.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述残余应力测量中，X射线的穿透深度为10.3～11.5μm。
6.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述先对样品表面进行电解抛光处理10～30s，抛光后的样品表面粗糙度Ra＜10μm。
7.根据权利要求1所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述增材产品为具有晶体结构的金属产品。
8.根据权利要求7所述的增材产品残余应力测试方法，其特征在于，所述金属产品包括但不限于钢铁材料、铝合金、钛合金材料。
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