利用ｘ射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用Ｘ射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，首先，采用X射线衍射方法获取零部件所用材料喷丸后在不同载荷作用下残余应力的松弛及衍射半高宽的变化规律，依据其规律确定材料使用时的安全区和非安全区。其次，对喷丸零部件关键点在使用了不同时间后进行残余应力测试，获取零部件关键点的残余应力及衍射半高宽变化规律。在此基础上，对比分析零部件实测残余应力/衍射半高宽变化规律是否落在安全区，从而确定零部件的可靠性。该方法是一种无损检测分析方法，可对零部件不定期检测，确定其是否安全可靠。该方法为零部件的可靠性评估提供了一种方便快捷的方法。
【专利说明】
利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种零部件检测，特别涉及一种利用X射线衍射技术测定金属零部件关键点的残余应力及衍射半高宽来评估喷丸零部件可靠性的方法。
【背景技术】
[0002]预测关键零部件的可靠性一直是机械领域研究的热点和难点。对于重要零部件的可靠性测试，存在测试时间长，工作量大，费用高等不足。而材料的可靠性与材料表面形变密切相关，在零部件加工过程中，为了提高零部件的使用寿命，经常在其表面进行喷丸强化处理，在表面形成残余压应力。然而在零部件的使用过程中，由于承受的外加力载荷的作用，残余压应力会出现松弛，在载荷较大的情况下，零部件可能出现塑性变形，而残余应力通过塑性变形可以实现释放，通过残余应力以及衍射半高宽的变化，可间接的表征材料表面的塑性变形。因此，如果能够监控零部件关键点的残余应力以及衍射半高宽的变化，即可有效的预测零部件的表面形变，可间接评估零部件的使用寿命。目前，X射线衍射技术，理论基础比较严谨，实验技术日渐完善，无需破坏试样，是目前残余应力分析的有效方法之一。
[0003]经对现有技术文献的检索发现，M.Guagliano等人在《Engineering FailureAnalysis, 2002，Vol.9，N0.2，ppl47_158》(工程失效分析，2002年，9卷，第2期，第 147-158页)发表了 “Contact fatigue failure analysis of shot-peened gears，，论文，石开究了残余应力对齿轮疲劳寿命的影响，指出残余应力值是分析齿轮强化效果的一个重要指标。P.J.Withers 等人在《Materials Science and Technology，2001，Vol.17，N0.4,pp355-365))(材料科学与技术，2001年，17卷，第4期，第355-365页)上发表了 “Overview-Residual stress Part 1-Measurment techniques” 论文，总结了X射线衍射法测量残余应力的方法以及不足，如果材料中存在织构，传统X射线衍射法测量残余应力的结果将会产生较大误差。而对于喷丸强化的零部件，可以有效的弱化表面织构，利用X射线衍射技术测量残余应力较为准确。
【发明内容】
[0004]本发明是针对预测关键零部件的可靠性较为困难的问题，提出了一种利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，简单快捷的利用残余应力及衍射半高宽的检测评估零部件可靠性。该方法通过X射线衍射方法测定金属零部件关键点的残余应力及衍射半高宽，通过零部件在使用过程中残余应力以及衍射半高宽的变化来评估零部件的可靠性。
[0005]本发明的技术方案为:一种利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，具体包括如下步骤:
1)零件所用材料在不同外载荷下进行受力工作循环周次测试，利用X射线衍射设备进行测试过程中应力检测分析，得到不同外载荷下残余应力松弛及衍射半高宽变化量；
2)建立零件所用材料的循环周次一残余应力和循环周次一衍射半高宽规律曲线，依据其规律确定材料使用时的安全区和非安全区； 3)实测关键零部件关键点循环周次一残余应力和循环周次一衍射半高宽曲线；
4)对比分析步骤3)测量曲线和步骤2)规律曲线，通过评估残余应力及衍射半高宽的变化是否在安全区域来确定零部件可靠性。
[0006]所述不同外载荷选取接近零件材料屈服强度的外载荷值。
[0007]所述安全区是指，当一定受力工作循环周次后残余应力和衍射半高宽为稳定状态一一残余应力及衍射半高宽的松弛速率近似为零时，即为安全区；反之当残余应力和衍射半高宽处在非稳态，相应区域即为非安全区。
[0008]本发明的有益效果在于:本发明利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，利用X射线衍射方法测量零部件关键点的残余应力以及衍射峰半高宽的变化来评估零部件的可靠性。考虑了外加力载荷作用下，残余应力的松以及衍射半高宽的变化规律，将残余应力的松弛与零部件的可靠性建立起关联，评估零部件的可靠性。该方法，通过无损测量残余应力和衍射半高宽的变化，评估零部件的可靠性，十分方便。
【附图说明】
[0009]图1为本发明实例I中不同外载荷作用下喷丸材料残余应力的松弛规律图；
图2为本发明实例I中不同外载荷作用下喷丸材料衍射半高宽变化规律图；
图3为本发明实例I关键零部件不同循环周次下的残余应力的松弛曲线图；
图4为本发明实例I关键零部件不同循环周次下衍射半高宽的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0010]本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤、工作过程和原理如下:
1、建立某种零部件材料在外载荷下的残余应力及衍射半高宽变化规律:
确定材料物相，选择合适的高衍射角度的衍射峰作为残余应力测量峰。利用X射线衍射应力分析方法，选择不同的外加载荷，测量不同外加载荷作用下，经过受力运行工作循环周次下的残余应力松弛规律及衍射峰半高宽的变化规律，即在设定外加载荷作用下，利用X射线衍射设备对在零部件材料受力工作运行中零部件应力进行检测分析，得到受力中作循环周次的残余应力松弛规律及衍射峰半高宽的变化规律。例如根据轴承钢的设计指标，设定负载值200MP，然后在轴承钢上施加设定负载并让轴承钢工作旋转17圈，工作旋转过程中分析轴承钢内部的残余应力松弛规律及衍射峰半高宽的变化规律。依据其松弛行为，当循环17次数后残余应力和衍射半高宽为稳定状态一一残余应力及衍射半高宽的松弛速率近似为零时，即为安全区，当残余应力和衍射半高宽处在非稳态，当间隔循环100次后残余应力松弛量大于lOMPa，相应区域即为非安全区。其中，X射线残余应力测试基本原理是:当材料中存在残余应力时，将引起X射线衍射峰的偏移，计算衍射峰的偏移即可求残余应力导致的应变，结合材料的弹性模型，计算出材料中的残余应力。
[0011]2、对零部件关键部位受力运行不同工作循环周次后进行残余应力测试:首先选定要评估零件的关键部位，其次，在零部件工作运行不同周次后对其关键点进行残余应力测试，同时获取衍射半高宽，最终绘制不同循环周次-残余应力，循环周次-衍射半高宽的变化规律。这里周次根据零部件工作状态设定，例如受力下活塞上下运动一次为一周次。
[0012]3、将零部件实测残余应力值与外载荷下残余应力及衍射半高宽变化规律对照，来确定零部件可靠性。
[0013]将受力不同工作运行周次的残余应力值与该种材料残余应力的松弛规律进行对照。对应循环周次下如果残余应力松弛行为及衍射半高宽的变化处于稳定区，则可判定零部件处于安全状态，如果残余应力处于非稳态，还将继续松弛，则零部件处于不安全状态。
[0014]结合本发明的内容提供以下实施例:
I)选择经过喷丸强化处理的18CrNiMo7-6钢制备的齿轮为研究对象。样品为18CrNiMo7-6钢疲劳实验样品。利用气动喷丸机及Φ 0.6 mm的高强度钢丝切丸，对样品表面进行喷丸强化处理，喷丸强度(以A型Almen试片弧高值表示)为0.35mm。
[0015]2)18CrNiMo7-6样品外载荷作用下的残余应力及衍射半高宽变化规律:
对不同载荷，不同循环周次下的样品进行X射线残余应力测试。在试验中具体的X射线应力分析仪参数为电压25kv，管电流20mA，Cr革Gfc辐射，辐射面积I X 3mm2, γ (311)衍射晶面，512通道位敏探测器，2Θ范围29°，Φ角在±45°内优化设置17站，同倾衍射几何方式，每站Φ摆动角3°，Χ射线弹性常数S2/2=6.50 X 10—6MPa^PS1=-1.56 X 10—6MPa'获取不同载荷作用下残余应力和衍射半高宽与循环次数之间的关系。其中θ Φ分别是指材料X射线衍射角度，残余应力测试时的方位角。如图1和2选择该种接近材料屈服强度的三组外载荷值，测量外载荷下不同循环周次下的残余应力值及衍射半高宽规律图。
[0016]3)零部件实际使用过程中不用循环周期下残余应力及半高宽变化规律。
[0017]在设备检修时，利用X射线衍射应力分析仪对18CrNiMo7_6钢所制备的齿轮在不同循环周次后齿轮根部的残余应力进行测试，并分析衍射峰的半高宽。获取残余应力和衍射半高宽与循环周次之间的关系见图3，图4。
[0018]4)对比分析零部件残余应力和衍射半高宽变化确定零部件可靠性:
将步骤3)中测得的实际零部件的循环周次-残余应力，循环周次-半高宽规律与步骤2)中不同载荷下残余应力和衍射半高宽与循环周次之间的关系进行对比。当残余应力与半高宽的变化在稳定区域时，确认零件可靠，当零部件残余应力与半高宽在非稳定区域时，零件不可靠。用此方法可获取零部件关键点在不同使用期限后残余应力及衍射半高宽值。
[0019]测量结果表明，利用X射线衍射方法测量零部件不同循环周次下的残余应力及衍射半高宽变化规律，将其与相同材料的残余应力衍射半高宽在外载荷作用下的变化进行对比。从而对比得出零部件的等效承受的载荷，判定零部件的可靠性。该方法理论清晰，通过对零部件残余应力和衍射半高宽的监控，间接检测零部件的可靠性。
【主权项】
1.一种利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 1)零件所用材料在不同外载荷下进行受力工作循环周次测试，利用X射线衍射设备进行测试过程中应力检测分析，得到不同外载荷下残余应力松弛及衍射半高宽变化量； 2)建立零件所用材料的循环周次一残余应力和循环周次一衍射半高宽规律曲线，依据其规律确定材料使用时的安全区和非安全区； 3)实测关键零部件关键点循环周次一残余应力和循环周次一衍射半高宽曲线； 4)对比分析步骤3)测量曲线和步骤2)规律曲线，通过评估残余应力及衍射半高宽的变化是否在安全区域来确定零部件可靠性。2.根据权利要求1所述利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，其特征在于，所述不同外载荷选取接近零件材料屈服强度的外载荷值。3.根据权利要求1所述利用X射线衍射技术评估喷丸零部件可靠性的方法，其特征在于，所述安全区是指，当一定受力工作循环周次后残余应力和衍射半高宽为稳定状态一一残余应力及衍射半高宽的松弛速率近似为零时，即为安全区；反之当残余应力和衍射半高宽处在非稳态，相应区域即为非安全区。
【文档编号】G01N23/20GK105891244SQ201610223194
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】詹科, 赵斌
【申请人】上海理工大学