摘 要:從測(cè)定原理出發(fā),闡述了 X 射線應(yīng)力測(cè)定方法的準(zhǔn)確性;指出如果嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)標(biāo) GB/T7704—2017《無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法》,可以得到可靠的、在業(yè)界互信的測(cè)定結(jié)果;通 過(guò)實(shí)例說(shuō)明了X射線應(yīng)力測(cè)定方法的準(zhǔn)確性,并提出了測(cè)定設(shè)備的檢定方法。

關(guān)鍵詞:X射線應(yīng)力測(cè)定;檢定;標(biāo)準(zhǔn)差;再現(xiàn)性;臨界偏差

中圖分類號(hào):TB31;TG115.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0025-03

近年來(lái),殘余應(yīng)力測(cè)定技術(shù)迅猛發(fā)展,在材料科 學(xué)與機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,并發(fā)揮著重要 作用,其中貢獻(xiàn)最為突出是 X射線應(yīng)力測(cè)定技術(shù)。 進(jìn)行X射線應(yīng)力測(cè)定需要了解原理方法,嚴(yán)格執(zhí)行 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和掌握操作規(guī)程,還需要試驗(yàn)探索、積累經(jīng) 驗(yàn),否則會(huì)影響 X射線應(yīng)力測(cè)定的準(zhǔn)確性。GB/T 7704—2017《無(wú)損檢測(cè) X 射線應(yīng)力測(cè)定方法》的 10.1節(jié)中提出,對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行概略性評(píng)估時(shí),如 因所得的應(yīng)力值的正負(fù)性和數(shù)量級(jí)迥然超乎人們的 預(yù)期而令人質(zhì)疑,則應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行復(fù)查:① 儀器是否經(jīng)過(guò)校驗(yàn);② 試樣的相、晶面、輻射、應(yīng)力 常數(shù)(或X射線彈性常數(shù))的組合是否有誤;③ 測(cè)試 點(diǎn)的表面處理是否正確,應(yīng)注意任何不經(jīng)意的磕碰、 劃傷或砂紙輕磨都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)的顯著變化;④ 照射面積是否合適;⑤ 衍射峰是否完整,是否有足 夠的強(qiáng)度和峰背比,是否孤立無(wú)疊加;⑥ 試樣是否 存在粗晶或織構(gòu)。如果依照標(biāo)準(zhǔn)注意到這些方面, 應(yīng)該能夠得到可信的測(cè)定結(jié)果。筆者通過(guò)具體實(shí)例 說(shuō)明了X射線應(yīng)力測(cè)定方法的準(zhǔn)確性,并提出了測(cè) 定設(shè)備的檢定方法。

1 X射線應(yīng)力測(cè)定的準(zhǔn)確性

首先應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到 X射線應(yīng)力測(cè)定不需要事先 采用試驗(yàn)手段將已知的應(yīng)力與本儀器測(cè)得的物理量 建立關(guān)系。X射線應(yīng)力測(cè)定原理基于 X射線衍射 原理,依據(jù)布拉格定律測(cè)定衍射角2θ,可以直接計(jì) 算晶面間距d,如果已知無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距 d0,便可求得晶格應(yīng)變?chǔ)?計(jì)算公式如式(1)所示。

再運(yùn)用彈性力學(xué),把多晶材料宏觀應(yīng)變視為相 應(yīng)區(qū)域里晶格應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在材料表面應(yīng)力方 向平面內(nèi)選定若干個(gè)ψ 角,分別測(cè)定晶格應(yīng)變?chǔ)纽? 繼而計(jì)算晶格應(yīng)變?chǔ)纽?對(duì)sin2ψ的變化斜率,這里可 排除難以確定的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距d0 的影 響,再除以X射線彈性常數(shù)S2/2(由材料相應(yīng)晶面 的楊氏模量E 和泊松比ν計(jì)算而得,或者通過(guò)試驗(yàn) 求出),即得到材料的平面應(yīng)力σ,具體計(jì)算公式如 式(2)所示,該公式僅適用于切應(yīng)力為0的情況。

式(2)中核心參量εψ 是通過(guò)衍射直接得到的。 在已知材料相應(yīng)晶面楊氏模量E 和泊松比ν的條 件下,測(cè)定應(yīng)力無(wú)需要其他物理量作為參照,無(wú)需 作任何轉(zhuǎn)換,無(wú)需任何標(biāo)定。因此只要 X射線衍 射裝置是檢定合格的,測(cè)得的應(yīng)力就應(yīng)該是準(zhǔn)確 的。各實(shí)驗(yàn)室采用相同的S2/2,其結(jié)果應(yīng)該有可 比性。

應(yīng)力測(cè)定的準(zhǔn)確度是測(cè)得的應(yīng)力與真值的一致 程度。殘余應(yīng)力是在去除外加載荷、溫度達(dá)到平衡、 內(nèi)部相變已經(jīng)終止的條件下,材料內(nèi)部存在并保持 平衡的宏觀應(yīng)力。材料發(fā)生不均勻塑性變形,表面 和內(nèi)部各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力不同,無(wú)法獲得各個(gè)區(qū)域應(yīng) 力的真值。因此只能借助于某些手段對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn) 行試驗(yàn)驗(yàn)證,評(píng)價(jià)測(cè)定結(jié)果的合理性,而無(wú)法用已知 應(yīng)力來(lái)修正測(cè)量結(jié)果。

依據(jù)GB/T7704—2017第6章和附錄 C的規(guī) 定,將檢定工作分為3個(gè)步驟:

(1)鐵粉試驗(yàn),目的是為了驗(yàn)證衍射裝置測(cè)定 零應(yīng)力的準(zhǔn)確性,所用試樣通常為還原鐵粉。還原 鐵粉無(wú)應(yīng)力,但鐵粉顆粒中的晶粒度應(yīng)較細(xì)小。

(2)等強(qiáng)度梁試驗(yàn)及其他加載試驗(yàn),對(duì)試樣進(jìn) 行加載,同時(shí)用 X射線衍射法測(cè)定應(yīng)力,觀察每次 加載時(shí)X射線應(yīng)力測(cè)定結(jié)果的改變量與已知載荷 應(yīng)力的改變量是否一致。

(3)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(LQ)或?qū)嶒?yàn)室間(ILQ)應(yīng)力參考 試樣對(duì)比試驗(yàn),制作 LQ、ILQ 應(yīng)力參考試樣,對(duì)試 樣進(jìn)行X射線應(yīng)力測(cè)定,考察儀器對(duì)高應(yīng)力試樣的 測(cè)試結(jié)果是否有具有可信度。

2 X射線應(yīng)力測(cè)定設(shè)備的檢定方法

2.1 ILQ應(yīng)力參考試樣的制作和表征

GB/T7704—2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:一個(gè)合格的實(shí)驗(yàn) 室間認(rèn)證的應(yīng)力參考試樣應(yīng)通過(guò)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢 測(cè),以便得到趨向于普遍認(rèn)可的應(yīng)力參考試樣。試 樣的應(yīng)力參考值σref、再現(xiàn)性Rσ、重復(fù)性rσ 至少通 過(guò)5個(gè)實(shí)驗(yàn)室的分別測(cè)試而獲得。在無(wú)法得到認(rèn)證 的標(biāo)樣的情況下,各地實(shí)驗(yàn)室可以自由組合制造和 表征ILQ標(biāo)樣。

2016年,愛(ài)斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司制備了巡檢 用試樣,材料為403鋼,經(jīng)過(guò)噴丸處理,使試樣具有 微觀結(jié)構(gòu)高度均勻性、應(yīng)力的時(shí)間穩(wěn)定性,試樣的晶 粒細(xì)小、無(wú)織構(gòu),試樣的表面平整、粗糙度低,沿深度 和表面方向上的應(yīng)力、成分梯度可忽略不計(jì),試樣的 應(yīng)力水平應(yīng)足夠高。組織國(guó)內(nèi)具有較高資質(zhì)的7個(gè) 單位,對(duì)該試樣分別進(jìn)行 X射線應(yīng)力測(cè)定,測(cè)定條 件為:CrKα 輻 射,衍 射 晶 面 αFe(211),S2/2= 5.81×10-6 mm2/N,衍射角為156.4°,結(jié)果如表1 所示。依據(jù)GB/T7704—2017中的附錄 C計(jì)算試 樣的σref、SR(標(biāo)準(zhǔn)偏差)和Rσ。

2.2 被檢定設(shè)備的測(cè)定重復(fù)性

在成都某集團(tuán)公司的XL-640型 X射線應(yīng)力測(cè) 定儀(出廠編號(hào)為 XL-640-Ⅲ-1—2021)上,對(duì)應(yīng)力 參考值為-552.8MPa的ILQ試樣進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定, 測(cè)定條件同表1,結(jié)果如表2所示,其中σ