[发明专利]利用中子衍射法测量镍铝青铜残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种镍铝青铜合金残余应力测量的方法，具体是一种利用中子衍射应力仪测量镍铝青铜变形后相间应力即第二类残余应力的方法。

背景技术

残余应力是在无外力的情况下物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。按应力产生的原因，有热应力，相变应力及收缩应力。按影响区域的大小分为三类：第一类应力(宏观应力)是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力。第二类应力(微观应力)是存在与一个晶粒或几个晶粒内，并保持平衡的应力。第三类应力(超微观应力)是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。由于残余应力难以衡量和预测会使部件在工作情况下发生意外失效。但同时，在组件中引入适当的残余应力也可以延长其使用寿命。因此准确测量残余应力，理解残余应力产生的机理是提高组件质量与使用寿命重要手段。

中子衍射法检测残余应力的方法是一种无损测试方法。与X射线、同步辐射相比，中子具有更强的穿透能力，可测定材料内宏观应力、特殊相应力及晶粒间的应力。使用中子衍射装置测量残余应力出现于上世纪80年代。近10年来，许多国家中子衍射实验室开始建立专门中子衍射残余应力测试装置，包括美国，英国，法国，德国，澳大利亚，俄罗斯，中国和韩国，主要使用于工程应用和材料科学研究。

中子衍射原位拉伸实验可以得到材料在受载荷情况下的晶格应变，因此许多研究基于对材料拉伸过程中的晶格应变来研究材料的性能。原位中子衍射技术可以测量第二类残余应力，即相间应力。当材料受一定载荷时，部分择优取向的晶粒开始发生塑性变形，其他的晶粒则还是处于弹性变形状态。为了维持相邻晶粒之间的连续性，晶粒之间产生了调节不均一塑性变形的弹性应力就是晶间应力，在载荷被移除后，晶间应力则变成了第二类残余应力即是相间应力。这种理论被利用在中子衍射测量铁素体基体和贝氏体中碳素体相界面间的残余应力和多层不锈钢钢板的马氏体和奥氏体的剥离现象。由于中子衍射在第二类残余应力测量中的应用，中子衍射在测量多金属基复合材料的基体与增强体的残余应力中也有应用。基体和增强体之间由于弹性及塑性应力、热力学性质不同都可能引起第二类残余应力的产生。最先应用中子衍射测量温度对铝基基体与增强体之间相对应力的材料是Al/SiCW金属基复合材料。在5％-15％的SiC纤维含量范围内，复合材料承担的力随纤维含量增强而增强，但纤维与基体之间的应变却没有变化。Ti-14Al-21Nb/35％SiC复合材料基体与增强体之间的应力随温度升高而减小，直至温度到达630℃，基体与增强体之间达到无应力的状态。在国内，尚未有研究涉及多相组织合金中各相相间应力的测量及控制。对于镍铝青铜合金中存在的多相：α相(铜基体)、残余β相、κ_I、κ_II、κ_III和κ_IV相。κ_I、κ_II、κ_IV相为D03结构的Fe₃Al成分(含量较多)。由NiAl组成的κ_III相由于含量较少使用X射线无法探测。因此需要一种测量方法，用于准确测量由变形引起的α相与Fe₃Al相之间的相间应力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种使用中子衍射测量镍铝青铜合金第二类残余应力的方法，可应用于多相合金相间及复合材料增强体与基体的残余应力测试及控制领域。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用中子衍射法测量镍铝青铜合金残余应力的方法，用于测量变形引起的镍铝青铜合金中α相与Fe₃Al相之间的相间应力，包括步骤如下：

第一步、镍铝青铜合金拉伸样品的制备：将镍铝青铜合金中的β相转化为α相，并消除加工残余应力；

第二步、中子衍射测量参数选取：基于镍铝青铜，铜和Fe₃Al合金的X射线衍射图谱，铜和Fe₃Al合金的中子衍射图谱，选定α相与Fe₃Al相不同晶面的衍射峰测试；

第三步、原位测量材料晶格畸变：将样品固定在原位拉伸试验台上，测量无加载力情况下两相衍射峰图谱，向样品施加α相的塑性变形及Fe₃Al相弹性变形范围的拉力，原位测量两相衍射峰的衍射图谱；然后卸载到0MPa，原位测量两相衍射峰的衍射图谱；升高加载拉应力重复上述实验；