摘 要:从测定原理出发,阐述了 X 射线应力测定方法的准确性;指出如果严格执行国标 GB/T7704—2017《无损检测 X射线应力测定方法》,可以得到可靠的、在业界互信的测定结果;通 过实例说明了X射线应力测定方法的准确性,并提出了测定设备的检定方法。
关键词:X射线应力测定;检定;标准差;再现性;临界偏差
中图分类号:TB31;TG115.22 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0025-03
近年来,残余应力测定技术迅猛发展,在材料科 学与机械制造领域的应用日益广泛,并发挥着重要 作用,其中贡献最为突出是 X射线应力测定技术。 进行X射线应力测定需要了解原理方法,严格执行 相关标准和掌握操作规程,还需要试验探索、积累经 验,否则会影响 X射线应力测定的准确性。GB/T 7704—2017《无损检测 X 射线应力测定方法》的 10.1节中提出,对测定结果进行概略性评估时,如 因所得的应力值的正负性和数量级迥然超乎人们的 预期而令人质疑,则应从以下几方面进行复查:① 仪器是否经过校验;② 试样的相、晶面、辐射、应力 常数(或X射线弹性常数)的组合是否有误;③ 测试 点的表面处理是否正确,应注意任何不经意的磕碰、 划伤或砂纸轻磨都会导致应力状态的显著变化;④ 照射面积是否合适;⑤ 衍射峰是否完整,是否有足 够的强度和峰背比,是否孤立无叠加;⑥ 试样是否 存在粗晶或织构。如果依照标准注意到这些方面, 应该能够得到可信的测定结果。笔者通过具体实例 说明了X射线应力测定方法的准确性,并提出了测 定设备的检定方法。
1 X射线应力测定的准确性
首先应当认识到 X射线应力测定不需要事先 采用试验手段将已知的应力与本仪器测得的物理量 建立关系。X射线应力测定原理基于 X射线衍射 原理,依据布拉格定律测定衍射角2θ,可以直接计 算晶面间距d,如果已知无应力状态的晶面间距 d0,便可求得晶格应变ε,计算公式如式(1)所示。
再运用弹性力学,把多晶材料宏观应变视为相 应区域里晶格应变的统计结果,在材料表面应力方 向平面内选定若干个ψ 角,分别测定晶格应变εψ, 继而计算晶格应变εψ 对sin2ψ的变化斜率,这里可 排除难以确定的无应力状态的晶面间距d0 的影 响,再除以X射线弹性常数S2/2(由材料相应晶面 的杨氏模量E 和泊松比ν计算而得,或者通过试验 求出),即得到材料的平面应力σ,具体计算公式如 式(2)所示,该公式仅适用于切应力为0的情况。
式(2)中核心参量εψ 是通过衍射直接得到的。 在已知材料相应晶面杨氏模量E 和泊松比ν的条 件下,测定应力无需要其他物理量作为参照,无需 作任何转换,无需任何标定。因此只要 X射线衍 射装置是检定合格的,测得的应力就应该是准确 的。各实验室采用相同的S2/2,其结果应该有可 比性。
应力测定的准确度是测得的应力与真值的一致 程度。残余应力是在去除外加载荷、温度达到平衡、 内部相变已经终止的条件下,材料内部存在并保持 平衡的宏观应力。材料发生不均匀塑性变形,表面 和内部各个区域的应力不同,无法获得各个区域应 力的真值。因此只能借助于某些手段对测定结果进 行试验验证,评价测定结果的合理性,而无法用已知 应力来修正测量结果。
依据GB/T7704—2017第6章和附录 C的规 定,将检定工作分为3个步骤:
(1)铁粉试验,目的是为了验证衍射装置测定 零应力的准确性,所用试样通常为还原铁粉。还原 铁粉无应力,但铁粉颗粒中的晶粒度应较细小。
(2)等强度梁试验及其他加载试验,对试样进 行加载,同时用 X射线衍射法测定应力,观察每次 加载时X射线应力测定结果的改变量与已知载荷 应力的改变量是否一致。
(3)实验室内(LQ)或实验室间(ILQ)应力参考 试样对比试验,制作 LQ、ILQ 应力参考试样,对试 样进行X射线应力测定,考察仪器对高应力试样的 测试结果是否有具有可信度。
2 X射线应力测定设备的检定方法
2.1 ILQ应力参考试样的制作和表征
GB/T7704—2017标准规定:一个合格的实验 室间认证的应力参考试样应通过几个实验室进行检 测,以便得到趋向于普遍认可的应力参考试样。试 样的应力参考值σref、再现性Rσ、重复性rσ 至少通 过5个实验室的分别测试而获得。在无法得到认证 的标样的情况下,各地实验室可以自由组合制造和 表征ILQ标样。
2016年,爱斯特应力技术有限公司制备了巡检 用试样,材料为403钢,经过喷丸处理,使试样具有 微观结构高度均匀性、应力的时间稳定性,试样的晶 粒细小、无织构,试样的表面平整、粗糙度低,沿深度 和表面方向上的应力、成分梯度可忽略不计,试样的 应力水平应足够高。组织国内具有较高资质的7个 单位,对该试样分别进行 X射线应力测定,测定条 件为:CrKα 辐 射,衍 射 晶 面 αFe(211),S2/2= 5.81×10-6 mm2/N,衍射角为156.4°,结果如表1 所示。依据GB/T7704—2017中的附录 C计算试 样的σref、SR(标准偏差)和Rσ。
2.2 被检定设备的测定重复性
在成都某集团公司的XL-640型 X射线应力测 定仪(出厂编号为 XL-640-Ⅲ-1—2021)上,对应力 参考值为-552.8MPa的ILQ试样进行应力测定, 测定条件同表1,结果如表2所示,其中σ
