一种深层残余应力的测定方法与流程

1.本发明涉及零件测定领域，具体为一种深层残余应力的测定方法。


背景技术：

2.残余应力是影响零件服役寿命的重要因素，零件的失效大多由于零件内部的残余应力与工作应力之和大于强度而失效。
3.喷丸处理是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，通过使用丸粒轰击工件表面并植入残余压应力，是一种提升工件疲劳强度的冷加工工艺。喷丸处理能够提高残余压应力，但喷丸处理后压应力层的深度相对于硬化层的深度较浅，而与零件疲劳性能密切相关的硬化层深度是喷丸处理残余压应力层深度的10倍及以上。零件的失效如点蚀或者剥落均具有一定的深度范围，通常因内部应力过大引起零件的开裂。因此，零件深层的残余应力场分布的相关研究对零件的服役寿命至关重要。不恰当的零件处理方式更是对零件没有保障。
4.现有的残余应力的测定方法主要是轮廓法及衍射法，工业化生产中主要测量表面残余应力，通过x射线衍射仪来进行测定；电解腐蚀深度可实现毫米级，且引起的残余应力的释放较小，次表层可以通过化学剥层法剥层后进行测定；但由于化学腐蚀的速度较慢，腐蚀深度有限，难以测定较深的残余应力场分布。新型的中子衍射系统可以测量残余应力深度达几厘米，但由于设备昂贵且数量稀少，尚未得到广泛应用。经济实用的深层残余应力测量方法是残余应力相关研究的难点，目前尚未有相关资料阐述生产可行的测量方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种深层残余应力的测定方法，本方法既可达到要求测定深度，又不会造成零件待测部位待测方向残余应力大幅度释放，使得实现任意位置和任意方向残余应力的测定。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：一种深层残余应力的测定方法，本方法通过以下步骤实现：
7.步骤一、在待测工件上确定检测区域，并设定为待测区域；
8.步骤二、对待测区域进行金属切割取样；
9.步骤三、在步骤二的基础上对切割取样部分进行电解腐蚀；
10.步骤四、对切割取样部分的待测区域及待测方向进行残余应力的测定，得到测量结果，同时，汇总测量数据结果并进行分析；其中，
11.所述步骤二中采用的金属切割方式选用慢走丝线切割。
12.进一步的，在步骤一中选定待测区域时，同时选定待测方向。
13.进一步的，步骤二中采用慢走丝线切割对待测区域进行切割取样。
14.进一步的，采用慢走丝线切割对待测区域进行切割取样时时，线切割面与检测面的距离应大于等于5mm。
15.进一步的，所述步骤一中待测方向的选定根据待测工件的受力情况确定。
16.进一步的，所述步骤三中的对待测工件的待检测区域电解腐蚀的腐蚀深度≥5mm。
17.进一步的，所述步骤三中选用的电解方式为struers电解抛光机，在具体电解过程中根据零件的材质和结构选用不同的电解液和电解参数。
18.进一步的，所述步骤四中采用x射线残余应力分析系统，对待测位置及待测方向进行残余应力检测及分析。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
20.本发明提供一种深层残余应力的测定方法，通过慢走丝线切割产生的热量小，带来的回火效应小，引起的残余应力释放幅度小，新引入的残余应力的区域也小，因此可通过线切割进行初步制样，切割出待测位置；之后再通过电化学腐蚀去掉线切割影响区域，即可获得一定深度范围的残余应力测试试样；取样时保证线切割面距离检测面的距离大于等于5mm，避免线切割产生的热效应对待检测区域残余应力的影响；将线切割面预留的与待测面的5mm的深度进行电解腐蚀，避免线切割引起的局部残余应力释放对检测结果的影响，以完全消除线切割对残余应力的影响
21.进一步的，x射线衍射法测量残余应力为一种非破坏性的检测方法，具有成熟的理论，测量结果可靠，在残余应力检测方面有着广泛的应用。
22.进一步的，通过采用x射线衍射残余应力分析仪对样品进行残余应力分析，测试方法可依据样品和测角仪的几何状况选用同倾法或侧倾法，残余应力分析仪靶材和入射谱线依据样品的材料种类进行选取。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的待测位置示意图。
25.图2为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的慢走丝线切割取样示意图。
26.图3为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的电解腐蚀示意图。
27.图4为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的x射线残余应力检测系统对待测位置测定分析示意图。
28.图5为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的x射线残余应力检测系统对待测方向测定分析示意图。
29.图6为本发明实施例提供的一种深层残余应力的测定方法的不同方向残余应力和距表面距离的测量汇总结果折线图。
具体实施方式
30.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
34.本技术采用线切割和电解腐蚀加x射线衍射分析相结合的方法，获得任意深度不同方向残余应力分布情况。该技术方案能够得到一种既可达到要求测定深度，又不能造成零件待测部位待测方向残余应力大幅度释放。相对于传统的砂轮切割或其他刀具加工技术，慢走丝线切割是一种金属切割方法，通过金属丝与待加工工件之间的脉冲放电腐蚀作用，对工件进行切割加工。相对于砂轮切割或其他刀具加工技术，慢走丝线切割产生的热量仅集中在切割面，切割过程中产生的热量会被冷却水流带走，切割面附近不会有显著温度增加，具有热影响区小、对原始工件内部残余应力影响小等优点，可避免或减小试样制备加工过程对原始待测位置处残余应力产生影响，因此可通过线切割进行快速初步制样；通过腐蚀的方法可去掉线切割影响区域，能够获得一定深度范围的残余应力测试试样。为充分消除线切割对待测位置残余应力的影响，需通过腐蚀去掉5mm或大于5mm厚度的影响层。因电化学腐蚀具有比化学腐蚀更快的腐蚀速度，可快速实现毫米级腐蚀深度，采用x射线衍射方法测量得到残余应力。基于布拉格衍射定律采用x射线衍射残余应力分析仪对样品进行残余应力分析，测试方法可依据样品和测角仪的几何状况选用同倾法或侧倾法，残余应力分析仪靶材和入射谱线依据样品的材料种类进行选取。对已知杨氏模量、泊松比、应力常数等参数的材料根据标准对该参数直接选取进行残余应力测试，对于未知材料应根据相关实验进行准确测量后再进行残余应力测试。
35.本发明的某一具体实施例中，以轴为例，零件深层任意方向的残余应力检测的操作步骤如下：
36.步骤一、如图1所示，策划：确定检测位置及检测方向。
37.步骤二、如图2所示，取样：采用慢走丝线切割，对待测部位行线切割取样，取样时保证线切割面距离检测面的距离大于等于5mm，避免线切割产生的热效应对待检测区域残余应力的影响；为避面线切割产生的对待检测区域残余应力产生影响，取样时线切割面与检测面的距离应大于等于5mm。
38.步骤三、采如图3所示，用电解抛光设备对待检测区域进行电解腐蚀，电解腐蚀深度≥5mm，以避免线切割引起的局部残余应力释放对检测结果的影响，将线切割面预留的与待测面的5mm的深度进行电解腐蚀，以完全消除线切割对残余应力的影响。
39.步骤四、如图4所示，采用x射线残余应力检测系统对待测位置及待测方向进行残余应力测定分析。
40.步骤五、测量结果汇总。
41.在本发明的另一实施例中，将待测对象为变速箱中的副箱主轴，其材料为17crnimo6，渗碳淬火后硬化层深为1.15mm，对其渗碳淬火状态进行了深层残余应力的测定，得到距离表面一定深度范围内的残余应力的分布。
42.测定步骤如下：
43.(1)确定检测位置及检测方向：根据该零件的受力情况，决定检测轴身位置距离表面一定深度范围内的轴向和圆周方向的残余应力；
44.(2)采用慢走丝线切割进行切割试块；
45.(3)采用struers电解抛光机对待测位置进行电解，电压设置为20v，电流约为1.5～1.8a，电解腐蚀30min后表面去除量大约在5mm；采用struers电解抛光机对待测位置进行电解，根据零件材质、结构的不同，电解腐蚀时的电解液及参数选择会略有差异。本案例以渗碳处理后合金钢试块为例：电解液为饱和的nacl水溶液，电压设置为18～22v，电流约为1.5～1.8a，电解腐蚀30min表面去除量约为5mm
46.(4)采用x射线残余应力分析系统，对待测位置及待测方向进行残余应力检测。
47.(5)如下图6所示，测量结果汇总：表面残余应力均为负值，即为压应力，且在距离表面大约1mm深度处压应力达到最大值，在-600mpa左右；随着深度增加，残余压应力减小，在距离表面2mm处深度处残余应力接近0，之后逐渐转变为残余拉应力，拉应力的值随着深度的增加而增加，最终保持在200～300mpa。
48.在某实施例中，对测量结果汇总：当表面残余应力均为负值，即为压应力，其值为200～400mpa左右，与常规渗碳淬火的表面的残余应力值相吻合；且在距离表面1mm左右压应力达到最大值，在-600mpa左右，随着距离表面深度的增加，残余压应力逐渐减小，在距离表面2mm处深度处残余应力接近0，随后逐渐转变为残余拉应力，且随着深度的增加而增加，最终保持在200～300mpa。之所以残余压应力在1mm左右达到最大，是因为该深度处金相组织的变化较大，距离表面0.2mm和0.5mm均为细小的隐晶高碳马氏体组织，而在大约1mm深度处转变为粗大的马氏体组织，因为此处含碳量较低且冷却速率较快，淬火过程中组织应力较大，最终残余压应力较大；随着深度增加，冷却速度减小，逐渐出现马氏体与贝氏体的或合组织，且随着深度的增加贝氏体的含量增加，热应力增大，组织应力减小，表现为残余压应力减小直到最终转为残余拉应力，最终保持在200～300mpa。
49.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
50.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。