[发明专利]一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法

说明书

技术领域

本发明属于材料分析测试技术领域，尤其是涉及一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，具体地说，是一种X射线衍射测量金属材料表层残余应力面分布的方法。

背景技术

喷丸强化技术，通过在材料表层引入残余压应力以及细化表层微观组织，可以有效提高金属工件疲劳性能，目前广泛应用于工业界。X射线衍射技术，理论基础比较严谨，实验技术日渐完善，受试样表面状态影响较小，衍射数据准确，测量结果十分可靠。目前，X射线应力仪可以在大型工件表面直接测量残余应力。因此采用X射线衍射技术测量金属材料表面喷丸工艺后残余应力的强度、分布以及其均一性，有利于监测喷丸工艺的效果，及时调整喷丸工艺，以提高金属工件疲劳寿命。

从事金属材料喷丸处理机理研究很多，国内外文献都大量报道。喷丸工艺只要包括常规喷丸，热喷丸，应力喷丸和复合喷丸等方式。不同的喷丸方式所达到的效果存在明显差异。具体表现在表面残余压应力，最大残余压应力及其层深，残余压应力整体层深这四方面的指标。

目前的理论研究通常都是单点测量数据结果，以单点作为理想的模型在整个喷丸面上进行的理论推广。在实际喷丸工艺处理后，仍存在工件局部抗氧化腐蚀能力弱，工件表面出现微裂纹等影响工件疲劳性能等问题。这实际上反映了工件表层喷丸工艺的不均一性。实际工件经一次喷丸处理后不可能成为理想的同一残余压应力表层，不同区域残余压应力值明显不同。只有当整个工件表层残余压应力值趋于一致，才能真正提高材料的疲劳性能。因此对材料表层残余压应力层的均一性评价显得万为重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，该方法无需破坏试样，对样品进行X射线应力云图测量，对同一类金属材料建立一套方差和标准差的评估指标。对实际喷丸工件云图测量后如发现其均一性指标太低，可进行二次或多次喷丸以达到需要的喷丸效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种表征喷丸残余应力均一性的云图测量法，包括以下步骤：

第一步，对金属材料进行喷丸处理，进行X射线衍射残余应力云图测量；

第二步，在获取100mm²内100个点的残余应力值的基础上，分别进行均值，方差和标准差的计算；

第三步，将标准差与均值之比(H)作为喷丸均一性的指标，对奥氏体不锈钢同类材料，当H＞0.35，均一性好，0.30＜H＜0.35，均一性中等，H＜0.30，均一性差。

对金属材料进行喷丸处理时，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。

进行X射线衍射残余应力云图测量时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面，奥氏体钢，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；普通碳钢选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片。

所述的云图测量是在材料喷丸区内，选择100mm²区域进行测量区设置，采用圆型光斑，准直管直径为0.5mm，以1mm为步长，沿XY两个方向进行逐点测量，最后获取100个点的残余应力数据。

X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，其它位置则消光。当晶格受力时会发生畸变，导致晶格常数发生变化，晶格参数的变化与宏观残余应力或外加应力密切相关。总体上，应力越大，晶格参数变化越大。

利用云图测量数据，计算100点的均值、方差和标准差，将标准差与均值之比建立均一性评估指标，计算出奥氏体不锈钢的均一性较好的评估指数H＞0.35。

由于金属材料表面存在微裂纹，晶块大小存在差别，气动喷丸工艺受弹丸材料、大小、速度，喷嘴与材料表面的距离、角度以及喷丸时间、覆盖率等诸多因素影响，实际喷丸效果在材料表面形成的残余压应力并不完全均一，一种喷丸条件难以获得理想的结果，因此采用喷丸均一性来评估喷丸工艺的效果。

通过特定面积云图特征建立的评价喷丸均一性指标，对同一工件的其它部位可以进行均一性评价，并可在同一类金属材料使用。利用此方法可建立不同材料均一性评估指标。