X射線法測(cè)量鑄造支座的殘余應(yīng)力

肖 寧，吳寒劍，謝紅初

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545000）

0 引言

鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，由于各部分的冷卻速度差異、收縮受阻及組織轉(zhuǎn)變引起體積變化等因素，不可避免地會(huì)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，如果鑄造應(yīng)力未得到釋放，將會(huì)以殘余應(yīng)力的形式保留在鑄件內(nèi)。鑄件的殘余內(nèi)應(yīng)力越大，會(huì)使零件在放置、運(yùn)轉(zhuǎn)、加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生變形，尺寸精度降低嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生開(kāi)裂［1－2］。因此，怎樣測(cè)量殘余應(yīng)力的大小，如何調(diào)整殘余應(yīng)力的分布，采取什么方法減小或消除殘余應(yīng)力對(duì)工件的影響成為研究探索的一個(gè)重要領(lǐng)域。本文將采用X－350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀的側(cè)傾固定ψ（晶面法線與表面法線夾角）法測(cè)量鑄造支座底部和圓柱部位的殘余應(yīng)力。

1 X射線衍射技術(shù)測(cè)量原理

X射線應(yīng)力測(cè)定的基本思路是一定的應(yīng)力狀態(tài)引起的材料晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的。晶格應(yīng)變可以通過(guò)X射線衍射技術(shù)測(cè)出，宏觀應(yīng)變可根據(jù)彈性力學(xué)求得，因此從測(cè)得的晶格應(yīng)變可推知宏觀應(yīng)力。測(cè)量原理基于X射線衍射理論，當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ上接收到反射的X射線強(qiáng)度的極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線衍射現(xiàn)象（如圖1所示）。X射線的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從著名的布拉格定律：

在已知X射線波長(zhǎng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會(huì)相應(yīng)改變。因此我們有可能通過(guò)測(cè)量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求得應(yīng)力σ。對(duì)于各向同性的多晶材料，在平面應(yīng)力狀況下，依據(jù)布拉格定律和彈性理論可以導(dǎo)出應(yīng)力值σ正比于2θ隨sinψ變化的斜率M，即 ：

圖1 X射線的衍射現(xiàn)象

2 鑄造支座殘余應(yīng)力的測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

本次測(cè)量設(shè)備采用邯鄲高新技術(shù)發(fā)展總公司愛(ài)斯特研究所研制的X－350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀，該儀器應(yīng)力測(cè)試誤差為±25MPa。本次測(cè)量參數(shù)為：X射線管靶材采用Cr靶，X射線管壓為20kV，管流為5 mA，準(zhǔn)直管直徑為Φ0.6，2θ掃描范圍為162°～151°，2θ掃描最小步距為0.1°，2θ掃描每步計(jì)數(shù)時(shí)間為0.5 s，ψ角范圍為0°～45°。測(cè)量方法采用側(cè)傾固定ψ法，定峰方法采用交相關(guān)法。

2.2 測(cè)量過(guò)程

測(cè)量過(guò)程如下：

（1）對(duì)鑄造支座底部待測(cè)位置編號(hào)，用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，3表示3個(gè)不同待測(cè)位置，如圖2所示。

圖2 鑄造支座底部位置編號(hào)

（2）對(duì)鑄造支座圓柱部位待測(cè)位置編號(hào)，用阿拉伯?dāng)?shù)字4，5，6表示3個(gè)不同待測(cè)位置，如圖3所示。

（3）對(duì)各待測(cè)位置表面進(jìn)行打磨，先用打磨機(jī)打磨，然后用砂紙打磨直至表面平整光滑，最后對(duì)打磨表面電解拋光。

（4）開(kāi)啟X－350A型X射線殘余應(yīng)力測(cè)定儀，預(yù)熱10min。同時(shí)開(kāi)啟電腦打開(kāi)控制軟件，調(diào)整測(cè)量參數(shù)，如圖4、圖5所示。

圖3 鑄造支座圓柱部位位置編號(hào)

（5）用X－350A型X射線殘余應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量還原鐵粉應(yīng)力值，對(duì)其進(jìn)行原始標(biāo)定檢驗(yàn)機(jī)器的精度，標(biāo)定結(jié)果如圖6所示，測(cè)得的殘余應(yīng)力值為－9.7MPa，在規(guī)定的±25MPa之間，因此機(jī)器不需要進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。

（6）正確裝夾工件，開(kāi)始測(cè)量，每個(gè)編號(hào)位置測(cè)量3次。

圖4 應(yīng)力測(cè)試方法選擇

圖5 應(yīng)力測(cè)試條件參數(shù)選擇

圖6 標(biāo)定結(jié)果

3 測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量結(jié)果

對(duì)6個(gè)編號(hào)部位各測(cè)量3次（用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示），測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果 MPa

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算得出的鑄造支座底部殘余應(yīng)力值分布區(qū)間為（－199.96MPa，－171.42MPa）；鑄造支座圓柱部位殘余應(yīng)力值分布區(qū)間為（492.49MPa，526.63MPa）。

4 結(jié)論

由測(cè)量結(jié)果可知，鑄造支座底部表現(xiàn)為壓應(yīng)力作用，圓柱部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力作用。另外，由于邊緣效應(yīng)造成鑄造支座底部邊緣局部發(fā)生了應(yīng)力釋放，所以應(yīng)力在數(shù)值上小于圓柱部位應(yīng)力值，但二者都真實(shí)反映了鑄造支座的原始應(yīng)力狀態(tài)。了解鑄造支座各部位殘余應(yīng)力分布區(qū)間和一般規(guī)律，可為今后支座的鑄造工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，為如何消除或減小應(yīng)力指明方向，選用適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝，達(dá)到最好的效果并得到最大的效益。

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè)1：鑄鐵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè)5：鑄鐵工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］張定銓.殘余應(yīng)力測(cè)定的基本知識(shí)［J］.理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2007，43（5）：263－265.