專利名稱：用x射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種是用X射線衍射法測(cè)定殘余應(yīng)力的方法。
背景技術(shù)：
鋼材焊接過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫和快速降溫，將伴隨的鋼材相變，使鋼材 產(chǎn)生膨脹和收縮，焊接熔池及熱影響區(qū)處的鋼材受到鄰近鋼材的約束不能夠自 由變形，在焊接后的工件內(nèi)產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力及相變應(yīng)力。在部分焊接件內(nèi)， 殘余應(yīng)力較高處，如焊角處，其應(yīng)力值可能將達(dá)到或超出鋼材屈服強(qiáng)度，此時(shí) 鋼材將而發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生焊接變形。由此所產(chǎn)生的焊接變形，將直接影 響到焊接件的尺寸精度、承載能力、安全性和穩(wěn)定性等，因此在實(shí)際生產(chǎn)中需 要檢測(cè)焊接件殘余應(yīng)力的分布。
用一定方法測(cè)定出鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布對(duì)構(gòu)件的安全使用具有重要意義。
殘余應(yīng)力測(cè)定中常用的有機(jī)械測(cè)定方法和衍射法，其中機(jī)械測(cè)定方法主要
有鉆孔法、切割法和切槽法等；這些方法需要對(duì)構(gòu)件的局部進(jìn)行破壞，在破壞 過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力將產(chǎn)生釋放，所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是構(gòu)件將發(fā)生變形，通 過(guò)測(cè)定這一過(guò)程中的變形進(jìn)而來(lái)獲取殘余應(yīng)力的大小。顯然機(jī)械測(cè)定法是一種 破壞性方法，并且在測(cè)定殘余應(yīng)力的同時(shí)不可避免的將引如鉆孔、切割和切槽 的機(jī)械新的附加應(yīng)力；衍射法有x射線衍射法和中子衍射法等，其中因不會(huì)對(duì) 構(gòu)件產(chǎn)生破壞，也不會(huì)引入額外的附加應(yīng)力使得X射線衍射法得到廣泛的應(yīng)用。 但是，由于X射線對(duì)鋼材的穿透深度有限，通常僅有幾個(gè)微米的深度，如CrKa 對(duì)鋼板的穿透深度大約在1 ~ 10pm左右，大大限制了這種方法在較厚構(gòu)件中的 應(yīng)用。中子衍射法雖然可以較好的解決這一問(wèn)題，但是由于此種方法需要建立 核反應(yīng)堆來(lái)收集中子，故不可能將其應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)中。對(duì)于大厚度鋼結(jié)構(gòu)工件，也有采用電解腐蝕剝層和機(jī)械加工相結(jié)合的方法， 即對(duì)構(gòu)件表面采用車削的方法后，再利用電解腐蝕的方法將機(jī)加工的應(yīng)力影響 層剝除，這種方法雖然可以得到大面積的光潔平面作為測(cè)試面，但是就其方法 而言，已經(jīng)大大削弱了腐蝕剝層法不會(huì)引入殘余應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)力影響層 深度的確定本身就是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。先確定影響層深度再剝除影響層之后才 能測(cè)定，這一過(guò)程大大降低了其在實(shí)際中的應(yīng)用效率。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用，部分 大型結(jié)構(gòu)件由于尺寸及形狀等的限制，先車削再腐蝕也是不現(xiàn)實(shí)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用x射線衍射法測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法，采用本
發(fā)明方法測(cè)定鋼殘余應(yīng)力，即能保證電解腐蝕剝層不會(huì)增加新的附加應(yīng)力，又 能得到準(zhǔn)確的大厚度工件中沿層深方向上測(cè)定結(jié)果，并且還有測(cè)定方法簡(jiǎn)單， 設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。
用X射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法，有以下步驟
(1) 電解腐蝕 取鍍鋅板，打磨光滑表層；
飽和NaCl水溶液為電解液，被測(cè)構(gòu)件作為陽(yáng)極腐蝕端，用鍍鋅鐵皮做陰極， 直流恒壓腐蝕，腐蝕的電流為7 ~ 8A;
(2) 腐蝕剝層后，用X射線應(yīng)力儀測(cè)定垂直焊縫方向上的殘余應(yīng)力，再用 單面剝層測(cè)定應(yīng)力值修正方法對(duì)剝層后的殘余應(yīng)力測(cè)定值進(jìn)行修正，即得鋼的 殘余應(yīng)力。
電解腐蝕的時(shí)間根據(jù)部件需要腐蝕面積和深度設(shè)置。
采用本發(fā)明方法用電化學(xué)腐蝕的方法，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行剝層處理，以便于測(cè)定 其內(nèi)部殘余應(yīng)力。由于腐蝕剝層法有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)不會(huì)引入額外的附加應(yīng)力； 通過(guò)腐蝕剝層法即可逐層測(cè)定，可直觀測(cè)得構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力。在腐蝕過(guò)程充分考 慮了影響腐蝕過(guò)程、腐蝕面質(zhì)量以及腐蝕速率的多種因素。
本發(fā)明所述的鋼包括普碳鋼和特殊鋼。
采用電化學(xué)方法對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行電化學(xué)腐蝕后，再用X線衍射法在大厚度構(gòu)件中沿層深方向上測(cè)定鋼的殘余應(yīng)力，因此本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 本方法可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大面積、大深度腐蝕，能夠使X射線衍射法充 分的應(yīng)用到大厚度鋼結(jié)構(gòu)件的測(cè)定(構(gòu)件厚度可達(dá)10~30ram),并且大面積腐 蝕有利于測(cè)定后的應(yīng)力修正；相對(duì)于目前所使用的X射線應(yīng)力儀，測(cè)定鋼鐵材 料深度只是在表層幾微米有更加準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果。
2. 腐蝕過(guò)程及腐蝕速率易于控制，可以通過(guò)控制較低的腐蝕速率來(lái)觀察每 一薄層對(duì)下一層的應(yīng)力影響，如控制腐蝕初始電流在5A左右，腐蝕時(shí)間在30min 時(shí)，我們可以觀察約0. 02mm左右的剝掉層對(duì)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，這將更 有利于對(duì)剝層所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放進(jìn)行研究，當(dāng)然通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的控制，可以 觀察出更薄的剝掉層，如幾個(gè)微米的剝掉層，對(duì)材料應(yīng)力釋放的影響。
3. 腐蝕工藝簡(jiǎn)單，規(guī)律性強(qiáng)，成本低，便于實(shí)際應(yīng)用，并且適用范圍廣泛。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)調(diào)整電解液及腐蝕工藝參數(shù)，可適用于多數(shù)碳鋼及合金鋼。
4. 腐蝕面質(zhì)量高，可較好的提高測(cè)定精度。


圖1為腐蝕電流與時(shí)間的關(guān)系，其中，圖1 (a)為和圓1 (b)為腐蝕初始
電流為7A時(shí)的腐蝕電流與時(shí)間的關(guān)系；圖1 (c)和圖1 (d)為腐蝕初始電流
為8 A時(shí)的腐蝕電流與時(shí)間的關(guān)系；
圖2為單面剝層測(cè)定應(yīng)力值的修正后橫向殘余應(yīng)力的分布；
圖3為腐蝕面未能達(dá)到X射線衍射測(cè)定要求的由粗糙表面引起的衍射峰畸
變，其中，圖3 (a)為探測(cè)器A所測(cè)得的衍峰值，圖3 (b)為探測(cè)器B所測(cè)得
的衍峰值；
圖4為本發(fā)明所搏到的衍射峰，其中，圖4 (a)為探測(cè)器A所測(cè)得的衍峰 值，圖4 (b)為探測(cè)器B所測(cè)得的衍峰值。
具體實(shí)施例方式
用X射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法有以下步驟 (1)電解腐蝕 取鍍鋅板，打磨光滑表層；飽和NaCl水溶液為電解液，被測(cè)構(gòu)件作為陽(yáng)極腐蝕端，用鍍鋅鐵皮做陰極， 直流恒壓腐蝕，電解腐蝕的時(shí)間根據(jù)部件需要腐蝕面積和深度設(shè)置，腐蝕的電 流為7 ~ 8A;
(2)腐蝕剝層后，用X射線應(yīng)力儀測(cè)定垂直焊縫方向上的殘余應(yīng)力，再用 殘余應(yīng)力。
本發(fā)明以921A鋼平板的焊接件為例進(jìn)行電化學(xué)腐蝕剝層實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了影 響電化學(xué)腐蝕剝層的各種因素以及各因素對(duì)腐蝕過(guò)程的不同影響，并且通過(guò)實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定材料，腐蝕過(guò)程規(guī)律性非常顯著，釆用適當(dāng)?shù)母g工藝，完 全可以對(duì)腐蝕過(guò)程進(jìn)行有效控制，來(lái)得到較好的腐蝕面以用于之后的測(cè)定工作。 腐蝕后利用x射線法對(duì)剝層后的試樣進(jìn)行的殘余應(yīng)力的測(cè)定可顯示出，大面積 電化學(xué)腐蝕剝層，對(duì)X射線法測(cè)定較深層殘余應(yīng)力，是一種有效的方法。
實(shí)-驗(yàn)方法
1實(shí)驗(yàn)對(duì)象
材料921A鋼板
處理方法采用平板對(duì)接埋弧焊，坡口 55° ; i皮口型式X型，焊*接速度40 - 50cm/min 試樣尺寸200 x 100 x 30 (mm) 2電解腐蝕方案的確定
采用國(guó)產(chǎn)WY-302直流穩(wěn)壓電源，對(duì)試樣進(jìn)行電解腐蝕剝層，電解液為飽和 食鹽水。在電解腐蝕過(guò)程中，當(dāng)電壓一定時(shí)，腐蝕電流隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)、腐 蝕面積的增大以及兩極間距的增大而下降。陰極板表面質(zhì)量對(duì)腐蝕質(zhì)量也會(huì)產(chǎn) 生影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，陰極板上由于腐蝕液的浸蝕將產(chǎn)生蝕點(diǎn)，因此在每次 腐蝕前需對(duì)陰極板進(jìn)行打磨。經(jīng)過(guò)初步摸索，制定了兩套實(shí)驗(yàn)方案。
方案一采用恒定電流的形式(要求在腐蝕過(guò)程中逐步提高兩極電壓)；在 試驗(yàn)中采用了正交實(shí)驗(yàn)法，即在三種因素中分別改變其中的一種，而保持其他 兩因素不變，如采用腐蝕電流一定并保持兩極間距和腐蝕面積恒定，逐步改 變腐蝕時(shí)間，以觀察不同腐蝕時(shí)間后的腐蝕效果和腐蝕速率，之后再分別改變腐蝕電流、兩極間距以及腐蝕面積，來(lái)觀察各因素對(duì)腐蝕的影響。
方案二采用恒定電壓腐蝕，即只設(shè)定初始腐蝕電流而在腐蝕過(guò)程中不再保 持電流的恒定不變。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案一的總結(jié)，在實(shí)驗(yàn)方案二中，分別采用了
5A、 7A和8A的初始電流對(duì)120咖x 80咖的腐蝕面進(jìn)行了電解腐蝕，腐蝕過(guò)程采 用較大的兩極間距(>50mm)以及不同的腐蝕時(shí)間。
利用XSTRESS 3000 X-ray Stress Analyze對(duì)剝層后的921A鋼板試樣(其 室溫力學(xué)性能見(jiàn)下表)進(jìn)行了殘余應(yīng)力的測(cè)定，測(cè)試條件為Cr耙，管壓30Kv， 管流6.7mA，曝光時(shí)間5s。鋼材的部分性能可見(jiàn)下表1:
表l 921A鋼的力學(xué)性能指標(biāo)
a b/MPacx。.2/MPa彈性模量/Pa
7707002. 16E110. 3
比較方案一的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)恒流腐蝕的以下幾點(diǎn)規(guī)律對(duì)于一定材料， 在一定的腐蝕電流、兩極間距和腐蝕面積下，腐蝕面質(zhì)量隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而 逐漸惡化；在兩極間距、腐蝕面積和腐蝕時(shí)間一定時(shí)，采用較大的腐蝕電流將 對(duì)腐蝕面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響； 一定的腐蝕面積、腐蝕時(shí)間和腐蝕電流下，較大 的兩才及間距可改善腐蝕面質(zhì)量；當(dāng)腐蝕面較大時(shí)，不同區(qū)域的腐蝕狀況差別較 大。在采用恒流腐蝕的大量實(shí)驗(yàn)，雖然可以通過(guò)調(diào)整各影響因素來(lái)改善腐蝕質(zhì) 量，但總體腐蝕效果不夠理想，腐蝕面質(zhì)量未能達(dá)到X射線法對(duì)測(cè)試面質(zhì)量的 要求。
比4支方案二實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同初始電流和腐蝕時(shí)間后的腐蝕面質(zhì)量，在腐蝕 時(shí)間一定時(shí)，采用5A初始電流的腐蝕效果較7A、 8A的效果要好，但是腐蝕速 率較慢，逐步提高初始電流至7A，腐蝕速率有所上升，當(dāng)電流提高的8A時(shí)，腐 蝕面質(zhì)量開始惡化。對(duì)于一定電流，適當(dāng)延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間可較好的改善腐蝕面質(zhì) 量，但并不是腐蝕時(shí)間越久越好，時(shí)間過(guò)久會(huì)在腐蝕面產(chǎn)生大量細(xì)小的蝕坑而 影響之后的應(yīng)力測(cè)定工作，并且當(dāng)初始電流較大時(shí)，即使延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間也不能 得到較好的腐蝕效果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)初始電流提高至7A時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)腐蝕 時(shí)間就可以改善腐蝕面質(zhì)量，使其腐蝕效果與5A時(shí)的相當(dāng)。但是初始電流提高至8A時(shí)，延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間已經(jīng)不能使腐蝕效果得到較好的改善了。通過(guò)對(duì)比方案 一與方案二的腐蝕效果，可發(fā)現(xiàn)采用恒壓腐蝕在一定條件下可獲得較好的腐蝕效果。
經(jīng)過(guò)對(duì)方案二中不同腐蝕電流和腐蝕時(shí)間后腐蝕效果的對(duì)比，確定出最終
腐蝕方案為恒壓腐蝕，電解液為飽和食鹽水，陰極材料為鍍鋅鐵皮，其表層 需打磨光滑，形狀與腐蝕端相似，以鋼板921A作為陽(yáng)極，釆用較大兩極間距(大 于50mm)，腐蝕面積120mmx80mm，腐蝕初始電流7 ~ 7. 5A，腐蝕時(shí)間控制在 30~40min。采用30min腐蝕時(shí)間的腐蝕電流與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。
參見(jiàn)圖2我們可以〗見(jiàn)察出在采用7A和8A的初始電流時(shí)，電流與腐蝕時(shí)間 的規(guī)律性非常明顯，在10~15min內(nèi)將產(chǎn)生電流的突然下降點(diǎn)，才艮據(jù)這一現(xiàn)象 以及不同的腐蝕時(shí)間后所觀察到的腐蝕效果，我們把腐蝕過(guò)程分為了兩個(gè)階段， 在電流突降點(diǎn)以前稱之為電解腐蝕階段，突降點(diǎn)之后稱之為電解拋光階段。對(duì) 腐蝕后的試樣采用深度千分尺進(jìn)行剝層厚度的測(cè)定，5A、 7A和8A的腐蝕電流腐 蝕30分鐘后的剝層深度如表2所示
表2 不同腐蝕電流下的剝層深度
剝層電流/A5577 88
剝層深度/mm0. 0190. 020. 024 0. 024 0. 0240. 028
剝層后，利用X射線應(yīng)力儀對(duì)試樣進(jìn)行了垂直焊縫方向上的殘余應(yīng)力的測(cè)
定，
修正。修正過(guò)的數(shù)據(jù)如圖2所示。
通過(guò)圖2,可以看出，測(cè)定值的分布曲線為典型的^t黃向焊接應(yīng)力分布曲線， 說(shuō)明將本方法作為X射線衍射法的前處理是可行的，并且是非常有效的。
若腐蝕面未能達(dá)到X射線衍射測(cè)定的要求，即表面過(guò)于粗糙，甚至存在大 量凹坑，則X射線衍射峰將產(chǎn)生較大的畸變，導(dǎo)致測(cè)定值失準(zhǔn)(參見(jiàn)圖3)。
利用本方法，可以得到較光滑的射線衍射峰，有利于之后的峰型擬合，提 高測(cè)定精度(參見(jiàn)圖4)。
權(quán)利要求
1. 一種用X射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法，其特征在于有以下步驟(1)電解腐蝕取鍍鋅板，打磨光滑表層；飽和NaCl水溶液為電解液，被測(cè)構(gòu)件作為陽(yáng)極腐蝕端，用鍍鋅鐵皮做陰極，直流恒壓腐蝕，腐蝕的電流為7～8A；(2)X射線法測(cè)定殘余應(yīng)力腐蝕剝層后，用X射線應(yīng)力儀測(cè)定垂直焊縫方向上的殘余應(yīng)力，再用單面剝層測(cè)定應(yīng)力值修正方法對(duì)剝層后的殘余應(yīng)力測(cè)定值進(jìn)行修正，即得鋼的殘余應(yīng)力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用X射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法，其特征在于 電解腐蝕的時(shí)間根據(jù)部件需要腐蝕面積和深度設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用X射線測(cè)定鋼殘余應(yīng)力的方法，有以下步驟(1)取鍍鋅板，打磨光滑表層；飽和NaCl水溶液為電解液，被測(cè)構(gòu)件作為陽(yáng)極腐蝕端，用鍍鋅鐵皮做陰極，直流恒壓腐蝕，腐蝕的電流為7～8A；(2)腐蝕剝層后，用X射線應(yīng)力儀測(cè)定垂直焊縫方向上的殘余應(yīng)力，再用單面剝層測(cè)定應(yīng)力值修正方法對(duì)剝層后的殘余應(yīng)力測(cè)定值進(jìn)行修正，即得鋼的殘余應(yīng)力。采用本發(fā)明方法測(cè)定鋼殘余應(yīng)力，既能保證電解腐蝕剝層不會(huì)增加新的附加應(yīng)力，又能得到準(zhǔn)確的大厚度工件中沿層深方向上測(cè)定結(jié)果，并且還有測(cè)定方法簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N23/20GK101451965SQ200810237279
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者周飛旭, 李德成, 績(jī) 程, 玲 胡, 陳玉安 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)