X射線法測量鑄造支座的殘余應力

肖 寧，吳寒劍，謝紅初

（廣西科技大學 機械工程學院，廣西 柳州 545000）

0 引言

鑄件在凝固和冷卻過程中，由于各部分的冷卻速度差異、收縮受阻及組織轉變引起體積變化等因素，不可避免地會產生鑄造應力，如果鑄造應力未得到釋放，將會以殘余應力的形式保留在鑄件內。鑄件的殘余內應力越大，會使零件在放置、運轉、加工和使用過程中產生變形，尺寸精度降低嚴重時會發生開裂［1－2］。因此，怎樣測量殘余應力的大小，如何調整殘余應力的分布，采取什么方法減小或消除殘余應力對工件的影響成為研究探索的一個重要領域。本文將采用X－350A型X射線應力測定儀的側傾固定ψ（晶面法線與表面法線夾角）法測量鑄造支座底部和圓柱部位的殘余應力。

1 X射線衍射技術測量原理

X射線應力測定的基本思路是一定的應力狀態引起的材料晶格應變和宏觀應變是一致的。晶格應變可以通過X射線衍射技術測出，宏觀應變可根據彈性力學求得，因此從測得的晶格應變可推知宏觀應力。測量原理基于X射線衍射理論，當一束具有一定波長λ的X射線照射到多晶體上時，會在一定的角度2θ上接收到反射的X射線強度的極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線衍射現象（如圖1所示）。X射線的波長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λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關系。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會相應改變。因此我們有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發生的變化來求得應力σ。對于各向同性的多晶材料，在平面應力狀況下，依據布拉格定律和彈性理論可以導出應力值σ正比于2θ隨sinψ變化的斜率M，即 ：

圖1 X射線的衍射現象

2 鑄造支座殘余應力的測試

2.1 測試方法

本次測量設備采用邯鄲高新技術發展總公司愛斯特研究所研制的X－350A型X射線應力測定儀，該儀器應力測試誤差為±25MPa。本次測量參數為：X射線管靶材采用Cr靶，X射線管壓為20kV，管流為5 mA，準直管直徑為Φ0.6，2θ掃描范圍為162°～151°，2θ掃描最小步距為0.1°，2θ掃描每步計數時間為0.5 s，ψ角范圍為0°～45°。測量方法采用側傾固定ψ法，定峰方法采用交相關法。

2.2 測量過程

測量過程如下：

（1）對鑄造支座底部待測位置編號，用阿拉伯數字1，2，3表示3個不同待測位置，如圖2所示。

圖2 鑄造支座底部位置編號

（2）對鑄造支座圓柱部位待測位置編號，用阿拉伯數字4，5，6表示3個不同待測位置，如圖3所示。

（3）對各待測位置表面進行打磨，先用打磨機打磨，然后用砂紙打磨直至表面平整光滑，最后對打磨表面電解拋光。

（4）開啟X－350A型X射線殘余應力測定儀，預熱10min。同時開啟電腦打開控制軟件，調整測量參數，如圖4、圖5所示。

圖3 鑄造支座圓柱部位位置編號

（5）用X－350A型X射線殘余應力測定儀測量還原鐵粉應力值，對其進行原始標定檢驗機器的精度，標定結果如圖6所示，測得的殘余應力值為－9.7MPa，在規定的±25MPa之間，因此機器不需要進行相關調整。

（6）正確裝夾工件，開始測量，每個編號位置測量3次。

圖4 應力測試方法選擇

圖5 應力測試條件參數選擇

圖6 標定結果

3 測量結果與數據處理

3.1 測量結果

對6個編號部位各測量3次（用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示），測量結果如表1所示。

表1 殘余應力測量結果 MPa

3.2 數據處理

采用標準偏差計算方法對測量結果進行分析計算，計算得出的鑄造支座底部殘余應力值分布區間為（－199.96MPa，－171.42MPa）；鑄造支座圓柱部位殘余應力值分布區間為（492.49MPa，526.63MPa）。

4 結論

由測量結果可知，鑄造支座底部表現為壓應力作用，圓柱部位表現為拉應力作用。另外，由于邊緣效應造成鑄造支座底部邊緣局部發生了應力釋放，所以應力在數值上小于圓柱部位應力值，但二者都真實反映了鑄造支座的原始應力狀態。了解鑄造支座各部位殘余應力分布區間和一般規律，可為今后支座的鑄造工藝設計和結構設計提供指導，為如何消除或減小應力指明方向，選用適當的生產工藝，達到最好的效果并得到最大的效益。

［1］中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊1：鑄鐵［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊5：鑄鐵工藝［M］.北京：機械工業出版社，2003.

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