殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的定性分析與判斷

張 娟,巴發(fā)海,李 凱

(1.東方電氣(廣州)重型機(jī)器有限公司，廣州 511464；2.上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

1 影響定性分析與判斷的因素

很多失效分析工作者往往感覺(jué)X射線殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果與直覺(jué)分析差距較大，難以接受，更不用說(shuō)用來(lái)分析失效行為。這種預(yù)期差異，并非來(lái)源于原理本身，多數(shù)情況下是分析人員對(duì)測(cè)試的基本技術(shù)要求理解把控不到位或評(píng)價(jià)方法不合理導(dǎo)致的。

以下一些因素可能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

(1) 材料。殘余應(yīng)力要求所測(cè)材料應(yīng)具有足夠的結(jié)晶度，在特定波長(zhǎng)的X射線下能得到連續(xù)的德拜環(huán)，且為晶粒細(xì)小、無(wú)織構(gòu)的各向同性的多晶體材料。材料是否完全滿足近隨機(jī)位向分布、均勻、各向同性的要求，對(duì)測(cè)試結(jié)果有大的影響。如熱處理之前的鑄件、焊縫等并不完全滿足要求，其測(cè)試結(jié)果有較大的離散性。

(2) 準(zhǔn)確度和精度。儀器、材料狀態(tài)、測(cè)量方法的選用和數(shù)據(jù)處理程序的選擇都對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響。鑒于目前儀器的校準(zhǔn)與檢定尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，精度和準(zhǔn)確度問(wèn)題存在確認(rèn)困難。

(3) 應(yīng)力分布。從長(zhǎng)期的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，實(shí)際構(gòu)件的應(yīng)力分布多具有不均勻性，不同的測(cè)試位置可以完全不同，但差距不會(huì)超出1個(gè)數(shù)量級(jí)。應(yīng)該指出，理論上X射線檢測(cè)的應(yīng)力是宏觀應(yīng)力，但這里的宏觀和構(gòu)件的表觀大小沒(méi)有任何關(guān)系。一次測(cè)試應(yīng)力的覆蓋范圍僅在0.2 mm2～100 mm2之間，稱之為局部宏觀應(yīng)力可能更容易理解。此外，還應(yīng)考慮射線的穿透深度造成的不均勻性，因?yàn)閼?yīng)力測(cè)試的X射線穿透深度一般僅為10～20 μm。

(4)測(cè)試過(guò)程的困難性。包括材料狀態(tài)、測(cè)試位置、表面處理狀態(tài)等和標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)定存在的差異。

(5) 不存在明確，統(tǒng)一，合理的殘余應(yīng)力技術(shù)規(guī)范。一般的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范等技術(shù)文件中基本都沒(méi)有對(duì)殘余應(yīng)力的合理范圍具體要求和規(guī)定。因此，測(cè)試人員難以對(duì)測(cè)試結(jié)果的有效性、合理性進(jìn)行判斷。如表面壓應(yīng)力可提高零件的疲勞壽命，但壓應(yīng)力范圍和深度并沒(méi)有定量數(shù)據(jù)可以參考，更無(wú)法評(píng)價(jià)其與壽命之間的定量關(guān)系。作為一項(xiàng)定量化判斷依據(jù)，國(guó)際PRI(質(zhì)量評(píng)審協(xié)會(huì))組織的NADCAP評(píng)審文件顯示，對(duì)INCONEL 718合金疲勞試樣，其表面應(yīng)力應(yīng)控制在-200～-500 MPa之間。

(6) 殘余應(yīng)力的表征和理解。如正確區(qū)分正應(yīng)力、切應(yīng)力和主應(yīng)力及其關(guān)系；如何區(qū)分失效分析中與失效相關(guān)的殘余應(yīng)力其本質(zhì)應(yīng)該是那個(gè)性質(zhì)的應(yīng)力；如何對(duì)平面應(yīng)力、三維應(yīng)力、主應(yīng)力進(jìn)行判斷、分析和計(jì)算，這些都是要考慮的問(wèn)題。

2 誤差與不確定度表征

最終應(yīng)力值的誤差主要取決于d(晶面間距)與sin2ψ曲線的擬合。各個(gè)峰位置的誤差會(huì)降低最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)該注意的是，目前商業(yè)測(cè)量軟件產(chǎn)生的“不確定性”值僅反映sin2ψ曲線中的估計(jì)統(tǒng)計(jì)誤差(或擬合優(yōu)度)。測(cè)量中的總不確定度除了受衍射峰位置的影響外，還受其他因素的影響。

殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果的不確定度在樣品唯一的情況下，來(lái)源于設(shè)備、方法、參數(shù)、操作等，但眾多來(lái)源的影響很難量化表征，因此任何評(píng)估不確定度的方法都必須通過(guò)多個(gè)合格實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。假定在系統(tǒng)誤差都已消除或糾正條件下，推薦一種可以在單個(gè)實(shí)驗(yàn)室中使用的方法來(lái)評(píng)估不確定度[1]，該方法分為兩步。

步驟一：按照重復(fù)性要求進(jìn)行測(cè)試，將設(shè)備設(shè)置為在相同條件下進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)試，并且多次測(cè)量之所有測(cè)試條件相同，在這種情況下，唯一的變量是那些與測(cè)量系統(tǒng)的性能以及軟件有關(guān)的變量，該變量也稱為“儀器可重復(fù)性”。

步驟二：按前步驟在兩次測(cè)量之間取出樣品重新設(shè)置并進(jìn)行測(cè)試，這種情況下，會(huì)引入由于測(cè)試設(shè)置的可變性而產(chǎn)生的影響，包括重置設(shè)備和重新放置樣品的精度，該變量也被稱為“儀器操作者可重復(fù)性”。

噴丸處理的彈簧鋼板樣品中殘余應(yīng)力測(cè)量值的可重復(fù)性結(jié)果如表1所示，由此計(jì)算的樣品殘余應(yīng)力不確定度如表2所示[1]。殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可表示為：σ=(-539±44) MPa?？梢?jiàn)，其不確定度達(dá)測(cè)試值的8%。

表1 噴丸處理的彈簧鋼板樣品中殘余應(yīng)力測(cè)量值的可重復(fù)性結(jié)果(Pseudo-Voigt方法)

表2 樣品殘余應(yīng)力不確定度分析結(jié)果

而合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度呈正態(tài)分布，uc=(2.72+15.62+15.62)1/2=22.2 MPa。擴(kuò)展不確定度呈正態(tài)分布，U=kuc=44.4 MPa，其中k=2(對(duì)應(yīng)95%置信度)。

3 殘余應(yīng)力測(cè)試在失效分析中的應(yīng)用

在失效分析中，殘余應(yīng)力測(cè)試通常用在最可能出現(xiàn)裂紋的位置以及應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的一些部位，主要包括以下部位。

(1) 在給定的施加載荷下，應(yīng)力最大的區(qū)域(厚度或橫截面最小的區(qū)域)。

(2) 應(yīng)力集中的幾何形狀，如咬邊，頸，倒角，焊趾，圓弧等。

(3) 動(dòng)態(tài)接觸的位置，如疲勞接觸。

(4) 裸露且容易腐蝕的地方。

(5) 垂直于裂紋的方向(如果在多個(gè)方向上都出現(xiàn)了裂紋)。

應(yīng)該注意的是，工件發(fā)生失效后，在裂紋附近垂直于裂紋線的方向殘余應(yīng)力會(huì)部分或完全消除，因此，在裂紋萌生之前評(píng)估零件應(yīng)力分布具有實(shí)際工程意義。在可行的情況下，最好使用三軸應(yīng)力測(cè)試來(lái)確定應(yīng)力場(chǎng)的方向和大小。如果受樣品的幾何形狀，經(jīng)濟(jì)或時(shí)間限制，重點(diǎn)方向僅限于一個(gè)或兩個(gè)方向，則優(yōu)先考慮垂直于裂紋線方向的應(yīng)力測(cè)量。由于制造過(guò)程和服役歷史對(duì)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生巨大影響，在進(jìn)行分析時(shí)必須考慮其引入的殘余應(yīng)力。

有限元方法對(duì)于預(yù)測(cè)載荷作用下組件中的應(yīng)力分布具有重要參考價(jià)值。計(jì)算結(jié)果可以半定量地確定高應(yīng)力區(qū)域和低應(yīng)力區(qū)域以及應(yīng)力梯度。殘余應(yīng)力測(cè)試中具有最高優(yōu)先級(jí)的位置是拉應(yīng)力最大的區(qū)域，即最容易發(fā)生屈服或破裂的區(qū)域。在應(yīng)力梯度改變的邊界處，可能存在剪切應(yīng)力。因此，建議在這些位置進(jìn)行三軸應(yīng)力測(cè)試。對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的零件，在有限元法在經(jīng)濟(jì)上不可行情況下，可選用經(jīng)驗(yàn)觀察法。

應(yīng)力云圖能夠快速精確地表征整個(gè)組件表面應(yīng)力狀態(tài)，包括重點(diǎn)區(qū)域，例如陡峭的應(yīng)力梯度區(qū)域(焊縫)及其相關(guān)的拉伸殘余應(yīng)力最大值的區(qū)域。如果部件的幾何形狀允許在重點(diǎn)的區(qū)域(靠近故障區(qū)域)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，則可以在有載和無(wú)載的條件下繪制應(yīng)力云圖。隨后的測(cè)量應(yīng)集中在應(yīng)力云圖確定為最大拉應(yīng)力或深度的區(qū)域。

使用XRD(X射線衍射儀)進(jìn)行的全面殘余應(yīng)力研究很少局限于表面，因此，通常需要進(jìn)行亞表面測(cè)量。如果必須非破壞性地測(cè)量亞表面位置的殘余應(yīng)力，建議使用中子衍射。

當(dāng)采用線性彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行分析時(shí)，可以計(jì)算殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的貢獻(xiàn)，并用于預(yù)測(cè)裂紋是否發(fā)生擴(kuò)展或停止擴(kuò)展。應(yīng)該注意的是，殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響傾向于隨著斷裂韌性的增加而減小。

4 結(jié)語(yǔ)

X射線法殘余應(yīng)力測(cè)試原理成熟，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，方法易于掌握。X射線法殘余應(yīng)力測(cè)試是一種統(tǒng)計(jì)表征，要準(zhǔn)確地理解測(cè)試相關(guān)術(shù)語(yǔ)及其概念與本質(zhì)，能否獲得準(zhǔn)確可信的測(cè)試結(jié)果依賴于測(cè)試者對(duì)多個(gè)影響因素的把控。同時(shí)，要從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，必要時(shí)還需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行誤差分析和不確定度評(píng)定，以為失效分析提供可靠的支持。