CN112326084B - 一种利用x射线测量含织构材料残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，涉及一种无损检测方法。钢铁、铜、铝等板带材在加工完成后，表面会产生较大的残余应力。由于织构的存在，导致经典的应力分析中
Figure DDA0002723784930000011
间失去线性关系，使采用X射线测应力法的工作变得十分困难。本发明针对含强织构的板带材工件，首先测试工件的织构类型和体积百分比，然后测量对应取向下的杨氏模量和晶格畸变，再利用dψ‑sin2ψ在强取向处可保持较窄的线性关系(如图1所示)，反推具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变，最终计算获得具有强织构板带材的残余应力。本发明为具有强织构的板带材，提供了一种简便利用X射线测残余应力的方法。

Description

一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法
技术领域
本发明涉及一种利用X射线衍射测量含织构材料残余应力的方法，适用于存在强织构的板带材工件，属于无损检测技术领域。
背景技术
金属板带材(钢铁、铜、铝和镁合金等)在经过锻造、冲压、轧制和焊接等加工后，由于不均匀的塑性变形、加热温度不均匀及不同相之间热膨胀量存在差异等原因，造成成品工件中存在较大的残余应力。使其在后续的机械加工过程难度增大或工件报废。另外，由于残余应力的存在，也大大缩短工件的使用寿命，增加了重大工程项目危险系数。消除工件残余应力的工作变得越发急迫和重要。要想消除残余应力的影响，首先要对于工件的应力进行精准、快速测量。目前，材料或工件的残余应力检测理论、工艺和技术手段等工作，发展还不够完善，急需新的理论和方法进行补充扩展。
目前，残余应力检测运用最重要及广泛的一种方法为无损检测。在工件的应力无损检测技术中，最普遍使用的是X射线衍射法。但目前通常的X射线衍射法只能无损测量无织构或弱织构的工件，存在强织构材料只能在实验室里通过全谱图进行复杂的计算。
发明专利CN105021331A介绍了一种基于X射线衍射全谱的残余应力测试方法，此方法较为精确；但该方法只推导了各向同性(无织构)材料的计算公式，且计算方法过于复杂。发明专利CN104502385A介绍了一种短波长X射线衍射的应力无损检测方法，该方法既可以测得材料表面的残余应力，也可以测得材料内部的残余应力；但该方法只适合织构不强的多晶体板状材料。上海交通大学的刘毓舒在《织构材料残余应力的ODF分析》一文中，基于织构ODF分析法，综述了一种适于含织构材料应力分析的数学方法；但这种ODF分析法太过繁琐，只适合实验室条件下测量，大大限制了它的应用。
发明内容
本发明的目的是通过分析织构对应力影响的特征，提供一种利用X射线测量含强织构材料残余应力的方法，该方法可以简便的测出强织构材料的残余应力。
本发明的技术方案如下：
一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在基于织构取向对应力的影响规律，操作和分析步骤如下：
1)首先利用X射线测定工件的织构类型和体积百分比含量，绘制(hkl)晶面的织构极图，比如(311)晶面织构极图；
2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(hkl)，要与(hkl)晶面织构极图相对应，即如果工件选择(311)晶面织构极图进行分析，那么测应力的衍射晶面同样也要为(311)晶面；
3)在(hkl)晶面极图，某强织构取向所对应的
Figure GDA0003147027320000021
角方向上，测出dψ-sin2ψ关系曲线，根据其较窄的线性关系，计算对应织构取向所对应
Figure GDA0003147027320000022
角的点阵畸变常数d，并测量其对应织构取向下的杨氏模量E；
4)进一步定义并计算具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；
Figure GDA0003147027320000023
其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ0表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。
Figure GDA0003147027320000024
为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变。
5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率
Figure GDA0003147027320000025
为：
Figure GDA0003147027320000026
其中,Ku′vw和εuvw分别表示样品在<uvw>晶向上的斜率
Figure GDA0003147027320000027
和点阵畸变，<uvw>晶向表示为与RD(轧向)方向呈
Figure GDA0003147027320000028
角上的织构取向，
Figure GDA0003147027320000029
为具有加权意义的点阵畸变。
6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈
Figure GDA00031470273200000210
角的残余应力
Figure GDA00031470273200000211
计算公式：
Figure GDA00031470273200000212
其中，
Figure GDA0003147027320000031
为具有加权意义的杨氏模量，v为工件材料的泊松比，d0为无应力状态下工件材料的晶面间距。
7)最终计算工件表面的二维残余应力值。
进一步的，其特征在于，为了减小实验误差，使窄的线性区域有足够多的数据点，倾斜角(Ψ)的间隔选择要求足够小，取1°或2°的正整数。
本发明原理是基于织构和衍射强度及残余应力间的关系特征，通过织构对衍射强度的影响，剥离出强织构材料(多晶金属钢铁、铜、铝、镁、钛等合金的板材、带材和棒材)中dψ-sin2ψ的线性区域，再通过定义加权杨氏模量和加权晶格畸变的方式，推导出具有加权意义的斜率
Figure GDA0003147027320000032
最终求出具有加权意义的残余应力。
本发明为存在强织构材料的残余应力测量，提供一种简便的测量和计算理论，使强织构材料的残余应力能在工业上得到快速、简便操作测量成为可能。该方法免除了费工费时的无应力标样的制备，避免了复杂的多晶织构全谱图的计算过程，提高了效率和降低了误差，方便于高校、研究院和企业使用。另外，多晶织构材料工件的残余应力得到准确快捷的测量，可为重大工程应用中残余应力的控制和消除提供了帮助，提高工件的使用寿命。
附图说明
图1为含强织构材料的dψ-sin2ψ线性关系图。
图2为工件中残余应力的测量示意图。
图3为铜合金强织构材料的(311)晶面极图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
所测试样为经过冷轧大变形后含强织构的铜合金带材，其长度为100mm，其宽度为60mm，其厚度为0.5mm，工件表面预制了压应力场以提高耐疲劳性能。测试步骤与方法如下：
1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有B{011}<211>、C{211}<111>和R{124}<211>，其体积含量分别占有42.6％、32.1％和13.8％，绘制出了(311)晶面极图(图3)；
2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(311)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°-90°范围内，间隔取1°；
3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈39°方向
Figure GDA0003147027320000041
测得dψ-sin2ψ的关系曲线，ψ为42°上存在C{211}<111>织构，在ψ＝42°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中C{211}<111>织构的点阵畸变常数d＝1.644×10-3，杨氏模量E＝165GPa；
4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；
Figure GDA0003147027320000042
其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ0表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。
Figure GDA0003147027320000043
为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为
Figure GDA0003147027320000044
和
Figure GDA0003147027320000045
5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率
Figure GDA0003147027320000046
为：
Figure GDA0003147027320000047
其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在<uvw>晶向上的斜率
Figure GDA0003147027320000048
和点阵畸变，<uvw>晶向表示为与RD(轧向)方向呈
Figure GDA0003147027320000049
角上的织构取向；其中，<uvw>为<111>晶向，
Figure GDA00031470273200000410
斜率
Figure GDA00031470273200000411
6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈39角的残余应力
Figure GDA00031470273200000412
计算公式：
Figure GDA00031470273200000413
测得
Figure GDA00031470273200000414
实施例2
所测试样为含强织构的铝合金带材，其长度为2000mm，其宽度为600mm，其厚度为2.00mm，工件经过弯曲成型处理，存在较大的残余应力。测试步骤与方法如下：
1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有旋转立方{011}<211>和{112}<110>，其体积含量分别占有50.2％和27.6.1％，绘制出了(311)晶面极图；
2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(311)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°-90°范围内，间隔取1°；
3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈35°方向
Figure GDA0003147027320000051
测得dψ-sin2ψ的关系曲线，ψ为65°上存在{011}<211>织构，在ψ＝42°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中{011}<211>织构的点阵畸变常数d＝1.734×10-3，杨氏模量E＝168GPa；
4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；
Figure GDA0003147027320000052
其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ0表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。
Figure GDA0003147027320000053
为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为
Figure GDA0003147027320000054
和
Figure GDA0003147027320000055
5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率
Figure GDA0003147027320000056
为：
Figure GDA0003147027320000057
其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在<uvw>晶向上的斜率
Figure GDA0003147027320000058
和点阵畸变，<uvw>晶向表示为与RD(轧向)方向呈
Figure GDA0003147027320000059
角上的织构取向；其中，<uvw>为<211>晶向，
Figure GDA00031470273200000510
斜率
Figure GDA00031470273200000511
6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈35°角的残余应力
Figure GDA00031470273200000512
计算公式：
Figure GDA00031470273200000513
测得
Figure GDA00031470273200000514
实施例3
所测试样为含强织构的不锈钢汽车板，其长度为1500mm，其宽度为500mm，其厚度为0.80mm，工件经过拉拔弯曲成型处理，存在较大的残余应力。测试步骤与方法如下：
1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有R{124}<211>和C{112}<111>，其体积含量分别占有46.2％和23.6.1％，绘制出了(111)晶面极图；
2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(111)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°-90°范围内，间隔取1°；
3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈53°方向
Figure GDA0003147027320000061
测得dψ-sin2ψ的关系曲线，ψ为51°上存在{011}<211>织构，在ψ＝51°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中R{124}<211>织构的点阵畸变常数d＝1.889×10-3，杨氏模量E＝234GPa；
4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；
Figure GDA0003147027320000062
其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ0表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。
Figure GDA0003147027320000063
为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为
Figure GDA0003147027320000064
和
Figure GDA0003147027320000065
5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率
Figure GDA0003147027320000066
为：
Figure GDA0003147027320000067
其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在<uvw>晶向上的斜率
Figure GDA0003147027320000068
和点阵畸变，<uvw>晶向表示为与RD(轧向)方向呈
Figure GDA0003147027320000069
角上的织构取向；其中，<uvw>为<211>晶向，
Figure GDA00031470273200000610
斜率
Figure GDA00031470273200000611
6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈53°角的残余应力
Figure GDA0003147027320000071
计算公式：
Figure GDA0003147027320000072
测得
Figure GDA0003147027320000073

Claims (2)

1.一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)首先利用X射线测定工件的织构类型和体积百分比含量，绘制(hkl)晶面的织构极图；
2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(hkl)，要与(hkl)晶面织构极图相对应；
3)在(hkl)晶面极图，某强织构取向所对应的
Figure FDA0003147027310000011
角方向上，测出dψ-sin2ψ关系曲线，根据其较窄的线性关系，计算对应织构取向所对应
Figure FDA0003147027310000012
角的点阵畸变常数，并测量对应织构取向下的杨氏模量；
4)定义并计算具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；
5)则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率
Figure FDA0003147027310000013
6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈
Figure FDA0003147027310000014
角的残余应力
Figure FDA0003147027310000015
7)最终得出工件表面的残余应力；
步骤4)所述杨氏模量和点阵畸变常数计算公式为:
Figure FDA0003147027310000016
其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨氏模量或点阵畸变常数；当i＝0时，δ0表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变；
Figure FDA0003147027310000017
为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变；
步骤5)所述具有加权意义的斜率
Figure FDA0003147027310000018
为：
Figure FDA0003147027310000019
其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在<uvw>晶向上的斜率
Figure FDA00031470273100000110
和点阵畸变，<uvw>晶向表示为与RD(轧向)方向呈
Figure FDA00031470273100000111
角上的织构取向，
Figure FDA00031470273100000112
为具有加权意义的点阵畸变；
步骤6)所述残余应力
Figure FDA00031470273100000113
计算公式为：
Figure FDA00031470273100000114
其中，
Figure FDA00031470273100000115
为具有加权意义的杨氏模量，v为工件材料的泊松比，d0为无应力状态下工件材料的晶面间距。
2.根据权利要求1所述的一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在于，为了使窄的线性区域有足够多的数据点，Ψ角的间隔选择要求足够小，1°或2°的正整数。
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