本发明涉及力学性能测试及表面处理技术领域，具体地指一种用于x射线内应力测试的试样表面处理方法。
背景技术：
金属材料的残余应力问题存在于社会生活和工业生产中的方方面面，大到关乎国家安全的军事领域，小至老百姓的日常生活用品，因此越来越受到广大科技工作者的关注。在工业生产中，残余应力问题是非常突出的，包括挤压、轧制、拉拔、切削、磨削、表面滚压、喷丸、锤击、装配等在内的各种机械工艺，或如焊接、铸造、淬火、回火之类的热处理都会使金属产品或工件内出现不同程度的残余应力。在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下,一方面产品或工件会降低强度,使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。在高强钢的生产制造过程中，由于其强度很高，存在各种较大强度的挤压、轧制、表面滚压以及淬火、回火之类的热处理，其残余应力问题突出，易发生板形问题。因此，对于其残余应力测量技术的研究，对于确保高强钢产品质量有着重要意义。
高强钢轧制过程中的不均匀变形导致了板带中残余应力的存在，残余应力的不均匀分布又是板形不良的根本原因。对此人们早有认识，也有不少学者及业内人士进行了研究。如【周长林，陈中兴，等.钢带的板形与内应力关系研究[j].上海钢研，1998(6)：24.27】用电测法、云纹法和射线法等方法测定了高精度不锈钢板的残余应力，并对几种方法进行了比较和分析；【张秀玲，刘宏民.板形控制的传递矩阵方法[j].机械工程学报，2003，39(11)：100一,03】基于残余应力与板形的关系，利用残余应力的横向分布建立了板形控制的传递矩阵方法；【曾纪杰，熊渊博.金属板材成型中的残余应力与失稳分析[j].塑性工程学报，2005，12(2)：82.84】分析了板带轧制时产生的残余应力，推导了残余应力引起的板带失效起皱的临界参数计算公式；【赵丽丽，张以都.基于msc的板材冷轧残余应力分布的数值仿真[j].有色金属，2005，57(1)：27.29】采用有限元的方法分析了铝板冷轧后残余应力的分布。但无论是实验的还是理论方面的研究都显不足，尤其是关于影响残余应力分布的因素以及残余应力的分布与板形的关系等方面的研究工作开展的还很少。
高强钢强度高，轧制及热处理等环节加工过程复杂，往往表层应力梯度大，而x射线方法只能测定材料表面的残余应力。至今，文献中没有出现对于应力测试试样打磨、腐蚀抛光等表面处理的定量研究报道，而这些因素对于高强钢x射线法应力测试起着重要影响作用。另外，在测试过程中，对于不同材料，打磨和点解的时间设置随意化，导致加工应力并没有完全去除，使得应力测试结果精度大大降低。即便去除了加工应力，由于未进行标定，也不能得到指定深度下的应力分布情况。
技术实现要素：
本发明的目的就是要针上述技术的不足，提供了一种引入加工应力最小、提高测试精度的用于x射线内应力测试的试样表面处理方法。
为实现上述目的，本发明所设计的用于x射线内应力测试的试样表面处理方法，：包括如下步骤：
1)表面预处理
首先，用酒精擦拭试样被测位置，以去除油污和可见杂物；然后，按照试样的轧制方向和试样的宽度方向在试样被测位置构建平面直角坐标系，并按照第一象限、第二象限、第三象限及第四象限的顺序，依次在每个象限的30°～45°方向进行打磨，每次打磨时间相同且打磨时间为10～15s；
2)腐蚀深度标定
2a)建立腐蚀时间x与腐蚀深度y之间的关系，具体过程如下：
采用电解液对试样被测位置分别腐蚀t1、t2＝t1+δt、t3＝t1+2δt、t4＝t1+3δt，分别测量腐蚀深度y1、y2、y3、y4，腐蚀深度与腐蚀时间基本呈线性关系，利用最小二乘法找到腐蚀深度与腐蚀时间之间的对应关系直线曲率k；腐蚀时间x与腐蚀深度y之间的关系为x＝y/k，y取值范围为180～250微米；
2b)根据步骤2a)中构建的建立腐蚀时间x与腐蚀深度y的关系，计算出腐蚀深度对应的腐蚀时间，然后利用计算出的腐蚀时间对试样被测位置表面进行电解腐蚀。
进一步地，所述步骤2a)中，测量腐蚀深度的测量装置包括支撑杆、固定在支撑杆上的电子千分表、套置在支撑杆上的夹具及固定在支撑杆底部的深度探针，夹具通过对穿螺母将其锁紧在支撑杆上，所述夹具的底面为一个平面。
进一步地，所述步骤1)中，每个象限的打磨角度为45°。
进一步地，所述步骤1)中，采用软性千页砂轮打磨。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明采用软性千页砂轮旋转打磨法能在有效去除试样表面杂质的同时，使得所引入的加工应力最小；针对不同材料进行的点解抛光深度标定方法，从根本上控制了所测试样的腐蚀深度，使得在同一块板材上的各测试点能得到同深度条件下的应力，数据可比性大大加强；定量的给出了表面处理时间及深度等关键控制参量，即保证了表面处理效果，同时提高了测试精度。另外，测量装置简单易操作，便于在现场使用。
附图说明
图1为本实施例中打磨方向示意图；
图2为本实施例中测量装置结构示意图；
图3为本实施例中腐蚀深度标定曲线；
图4～图9为实施例1中1号～6号加工之后表面形态对应的示意图；
图10为实施例1中腐蚀时间与腐蚀深度关系曲线图；
图11为实施例2中表面处理效果图；
图12为实施例2测量点位置示意图；
图13为实施例2中全释放法和x射线衍射法测量结果比较图。
图中各部件标号如下：测量装置10、支撑杆11、电子千分表12、夹具13、对穿螺母14、深度探针15、底面16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示为用于x射线内应力测试的试样表面处理方法，包括如下步骤：
1)表面预处理
首先，用酒精擦拭试样被测位置，以去除油污和可见杂物；然后，按照试样的轧制方向和试样的宽度方向在试样被测位置构建平面直角坐标系，如图1所示，并按照第一象限、第二象限、第三象限及第四象限的顺序，依次在每个象限的30°～45°方向进行打磨，每次打磨时间相同且打磨时间为10～15s(即在第一象限的30°～45°方向进行打磨10～15s、顺时针旋转90°在第二象限的30°～45°方向进行打磨10～15s、再顺时针旋转90°在第三象限的30°～45°方向进行打磨10～15s、最后再顺时针旋转90°在第四象限的30°～45°方向进行打磨10～15s)，每个象限的打磨角度优选为45°，其主要目的是将较顽固的表层氧化物及其它杂质去除。传统的直接电解腐蚀效果受表面氧化物影响较大，不易进行标定和精确控制；而本发明的旋转打磨与传统的单向打磨相比，可以避免在某一个打磨方向上引入较大的加工应力。采用传统的硬质砂轮打磨，则可能在局部形成高热区，导致应力分布情况发生变化；采用手工细砂纸打磨，则无法有效去除表面氧化物，另外工作效率过低，因此本发明采用软性千页砂轮打磨。
2)腐蚀深度标定
必须对试样被测位置表面进行电解抛光以去除附加应力层，但电解腐蚀的深度不能太浅，否则达不到去应力层的目的，同时也不能太深，否则不能反映材料真实的表面应力状态。
2a)建立腐蚀时间x与腐蚀深度y之间的关系，具体过程如下：
采用电解液对试样被测位置分别腐蚀t1、t2＝t1+δt、t3＝t1+2δt、t4＝t1+3δt，分别测量腐蚀深度y1、y2、y3、y4。如图3所示，设t1＝30s、t2＝60s、t3＝90s、t4＝120s，腐蚀深度与腐蚀时间基本呈线性关系，利用最小二乘法找到腐蚀深度与腐蚀时间之间的对应关系直线曲率k；另外，经过大量的实验表明，采用此方式进行表明处理，应力叠加层的腐蚀深度y一般不超过250微米，即y取值范围为180～250微米，因此，腐蚀时间x与腐蚀深度y之间的关系为x＝y/k；对于不同材料腐蚀的速度会有一定区别，即k值不一样，因此需要提前做好标定工作。
2b)根据步骤2a)中构建的建立腐蚀时间x与腐蚀深度y的关系，计算出腐蚀深度对应的腐蚀时间，然后利用计算出的腐蚀时间对试样被测位置表面进行电解腐蚀。
上述步骤2a)中，测量腐蚀深度的测量装置10，如图2所示，包括支撑杆11、固定在支撑杆11上的电子千分表12、套置在支撑杆11上的夹具13及固定在支撑杆11底部的深度探针15，夹具通过对穿螺母14将其锁紧在支撑杆11上，锁紧后保证夹具13与支撑杆11之间不产生相对滑动，另外，本发明中夹具13的底面16为一个平面。在测量腐蚀深度时，先将测量装置10放置在被测位置任一一个平面上，压紧深度探针15使夹具13底面16与平面压紧，然后将电子千分表12置零；最后将深度探针15对准被测腐蚀坑部中央，轻放表头，并将夹具13底面16紧压于被测位置表面，待稳定后，即可读出深度值，其绝对值即为改点的腐蚀深度。该装置和测量方法简单、测试效率高，便于现场使用。
上述步骤2a)中，为了检验各数据点xi,yi在正态概率坐标纸上是否表现为一直线关系，须由下式计算相关系数r。
相关系数为：
相关系数r是变量之间相关程度的指标。相关系数r的取值范围为[-1,1]。|r|值越大，误差越小，变量之间的线性相关程度越高；|r|值越接近0，误差越大，变量之间的线性相关程度越低。两个现象之间的相关程度，一般划分为四级：如两者呈正相关，r呈正值，r＝1时为完全正相关；如两者呈负相关则r呈负值，而r＝-1时为完全负相关。完全正相关或负相关时，所有图点都在直线回归线上；点子的分布在直线回归线上下越离散，r的绝对值越小。当例数相等时，相关系数r的绝对值越接近1，相关越密切；越接近于0，相关越不密切。由于本实验中腐蚀深度精确度要求高，因此要求相关系数r>0.95，如未达到则需要补充实验。
本发明采用软性千页砂轮旋转打磨法能在有效去除试样表面杂质的同时，使得所引入的加工应力最小；针对不同材料进行的点解抛光深度标定方法，从根本上控制了所测试样的腐蚀深度，使得在同一块板材上的各测试点能得到同深度条件下的应力，数据可比性大大加强；定量的给出了表面处理时间及深度等关键控制参量，即保证了表面处理效果，同时提高了测试精度。另外，测量装置简单易操作，便于在现场使用。
实施例1
试验采用美国proto公司ixrdx射线残余应力测试仪。采用mgr40p型旋转测角仪，可确认主应力方向和大小。ψ角范围-56°～+56°,2θ范围110°～171°,摆动范围-8°～8°。另外其自动x,y,z轴配有高精度导轨，各有100毫米行程，被用以调整射线管头至被测点位。接收端配有两个pssd光纤探测器，宽度为18.4度，各有512个通道。本试验中采用圆形
选取4mm厚、170mm正方形汽车用钢板作为被测试样，将其分为1至6号，6个区域，分别对应一种表面加工方式。每个区域内选取上下两个点作为目标测试点。然后对各区域以不同方式进行表面打磨。
表11-6号区域对应表面加工方式
各方式加工之后，表面形态如图4～图9所示(1号对应图4、2号对应图5、3号对应图6、4号对应图7、5号对应图8、6号对应图9)。可以清楚的发现，1～3号手工打磨比4-6号机械打磨加工痕迹小，而使用越粗的砂纸，加工痕迹越深。但是手工打磨的表面明显还残留有杂质及氧化物。5号打磨痕迹最深且不均匀，1～5号打磨方向均为纵向，而6号打磨痕迹为45度方向，清晰无杂质。
对此材料进行腐蚀深度标定试验，得到如图10所示腐蚀时间与腐蚀深度之间的关系曲线。经计算要达到250微米的腐蚀深度，需腐蚀75s左右，经75s腐蚀后对区域6进行应力测试，得到其纵向应力为65mpa，横向应力为50mpa。
实施例2
以wbz500u型钢板桩为研究对象，采用本发明方法对其外表面的残余应力分布规律进行测试对比。试样长1.2m、宽0.4m、高度0.17m、厚度15.5mm。测量了1/2长度位置和1/4长度位置钢板桩的外表面沿长度方向的残余应力。具体测试点位置如图12所示，编号1～5号为1/2长度位置垂直于长度方向分布的各测试点：1号位于左腿，2号位于左边角，3号位于底部腹板，4号位于右边角，5号位于右腿位置。编号6-10号为1/4长度位置垂直于长度方向分布的各测试点：6号位于左腿，7号位于左边角，8号位于底部腹板，9号位于右边角，10号位于右腿位置。表面处理效果如图11所示。
利用分割全释放法对钢板桩1～10个点残余应力值进行了验证，如图13所示为全释放法和x射线衍射法测量结果的比较，其数据表明两测试方法结果基本一致，证明了本发明方法的准确性。