铸件二次热处理后残余应力测试选择方案

前言

残余应力是构件力学性能主要的影响因素之一，如拉伸残余应力会降低拉伸屈服极限、提高压缩屈服极限，压缩残余应力正好相反；宏观残余应力会产生形变、并影响疲劳寿命，微观残余应力导致组织内产生微裂纹发生脆性破坏。

在服役过程中，残余应力与工作应力叠加容易产生二次变形和应力重新分布，产生变形、开裂、耐腐蚀性能及构件整体稳定性下降，如当交变荷载工作时区域应力达到屈服点时会产生局部塑性变形；高温工作条件下产生高温蠕变开裂；腐蚀环境下产生应力腐蚀开裂。

测试二次热处理后铸件的残余应力，主要是为了确保铸件的尺寸稳定性、力学性能和使用寿命。二次热处理（如时效、退火）的目的通常是消除或减少之前工序（如铸造、焊接、粗加工）产生的内应力。如果处理不到位，残余应力依然存在，会导致后续加工变形，甚至在使用中突然失效。

预测残余应力分布趋势和数值大小，成为保障铸件材料质量与结构安全的关键环节。下文就通过对比来深入探讨X射线衍射法与钻孔法这两种方法，哪一种更适合测试铸件二次热处理后的残余应力。

钻孔法

钻孔法在1934年由德国学者Mathar J提出。对于厚板构件内部存在残余应力场时，在应力场内的任意位置钻一盲孔，包围在钻孔周边的金属和残余应力即被释放（孔深等于或略大于孔径，当孔深为孔径的1.2倍时，应变近于释放），使原来的应力场失去平衡，这时盲孔周围将产生一定量的释放应变，并使原应力场达到新的平衡，形成新的应力场和应变场，测出释放应变ε，即可利用相应公式计算出初始测试点的残余应力。

钻孔法的适用范围

建筑工程：在建筑钢结构、混凝土结构等施工过程中，钻孔法可用于检测焊接接头、螺栓连接部位等的残余应力。例如，对大型桥梁钢结构的焊接节点进行残余应力检测，评估焊接质量，为桥梁的安全运营提供数据支持。通过检测残余应力，及时发现焊接过程中产生的过大应力，采取相应的措施进行调整，避免结构在长期使用过程中因应力集中而发生破坏。

机械制造：对于大型机械装备的关键零部件，如重型机床的床身、齿轮箱等，钻孔法可用于检测其在加工、装配过程中产生的残余应力。通过检测残余应力，优化加工工艺和装配流程，提高机械装备的精度和稳定性。

压力容器制造：压力容器在制造过程中，焊接、冷加工等工艺会引入残余应力。钻孔法可用于检测压力容器筒体、封头、接管等部位的残余应力，确保压力容器的安全运行。通过检测残余应力，评估压力容器的制造质量，预防因残余应力与工作应力叠加导致的容器破裂等事故。

钻孔法优势

Ø  设备简单：所需设备相对简单，成本较低，易于在现场和一般实验室开展检测工作。

Ø  适用范围广：适用于各种材料和形状的构件，对材料的晶体结构无特殊要求，无论是金属、非金属还是复合材料均可检测。

Ø  测量深度较大：相比 X 射线衍射法，盲孔法可测量一定深度范围内的平均残余应力，更能反映材料内部的应力状态。

钻孔法局限

Ø  有损检测：钻孔会对材料造成一定程度的损伤，不适用于对表面完整性要求高的构件，如一些精密光学元件、微电子器件等。

Ø  测量精度受多种因素影响：钻孔过程中的工艺参数（如钻孔速度、钻头磨损等）、应变片的粘贴质量、材料的不均匀性等因素，都可能影响测量结果的准确性，需要在操作过程中严格控制和校准。

X射线法

X射线衍射法测量残余应力是基于X射线衍射理论。当一束波长为λ的X射线照射在晶体表面时，会在特定的角度(2θ)上接收到X射线反射光的波峰，这就是X 射线衍射现象。其中衍射角2θ与X射线的波长λ、衍射晶面间距d之间遵从布拉格定律：2dsinθ=nλ。1961年德国学者Macherauch结合弹性理论和布拉格方程提出了测二维残余应力的sin2ψ法。

X射线法适用范围

航空航天领域：航空发动机叶片、飞行器结构件等关键部件，在制造和服役过程中承受着复杂的应力。X射线衍射法可用于检测这些部件表面及近表面的残余应力，确保其在特殊工况下的可靠性与安全性。例如，通过检测叶片表面残余应力，及时发现制造过程中的缺陷，避免因应力集中导致的叶片断裂等严重事故。

汽车制造行业：汽车发动机缸体、曲轴等零部件的残余应力状态影响着汽车的性能和耐久性。利用X射线衍射法对这些部件进行检测，有助于优化制造工艺，提高产品质量。如在曲轴加工过程中，通过检测残余应力，调整加工参数，减少残余应力对曲轴疲劳寿命的不利影响。

应对铸造工艺的复杂性：铸造过程涉及液态金属凝固、冷却和相变，极易产生不均匀的残余应力。特别是在薄壁或带有复杂凸台的铸件（如镁合金筒形件）中，应力分布异常复杂，是导致后续加工变形和开裂的原因。XRD能精确测量这些应力，为优化铸造工艺（如改进浇注系统、调整冷却速率）提供关键数据。

X射线法优势

Ø  无损检测：不会对样品造成物理损伤，可对珍贵或已服役的构件进行检测，不影响其后续使用。

Ø  高精度：能够精确测量材料表面及近表面的残余应力，对微小应力变化敏感，测量结果准确可靠。

Ø  标准完善：拥有众多国家和国际标准作为支撑，如 GB/T 7704 等，检测流程和结果具有规范性和可比性。

X射线法优势

Ø  检测深度有限：X射线穿透能力较弱，一般只能测量材料表面几微米到几十微米深度范围内的残余应力，对于材料内部较深位置的应力需电解抛光后检测。

铸件样品的选择

多数情况下。铸件样品价值较高并不允许损伤：对于此类样品，如果使用钻孔法，钻孔后会引发钻孔区域残余应力的改变，并且铸件受损后将无法再次使用。而X射线衍射法测试无损并且可以提供精度更好的结果，使得操作者可以更好地判断热处理工艺是否有效，所以X射线法成为优选。

仪器介绍

EDGE便携式X射线应力仪符合ASTM E915及EN 15305残余应力国际分析检测标准。GNR精心设计的便携箱可收纳全部配件，搭配三脚架实现 90°、180° 及颠倒式测量。高性能电池支持野外等环境作业，激光定位与微动装置结合，无需接触即可快速定位。仪器兼具室内外检测能力，满足工业现场对残余应力的精准测量需求。

STRESS-X射线残余应力测量仪，仪器的衍射单元安装在 6 个自由度的机器人臂上。通过移动机器臂可对各种形状和尺寸的样品进行检测，整个测试系统可封装在密闭的舱体中用于实验室分析，也可安装在四轮合金推车上用于现场分析，进行移动测量大型工件各个部位的残余应力。STRESS-X采用水冷却 X 射线管，并由计算机控制，机械手臂位置的精确度可达 20 μm，并有良好的重复性。样品可以固定在样品台上进行检测，也可以检测在仪器本身以外位置的样品，推荐位置是距离机械手臂 500 mm，测量靶是一个组合单元，包含用于 X、Y 方向定位的摄像机和 Z 方向定位的激光束。激光精度小于10 μm，检测范围300±70 mm，由于机械手臂具有六个自由度，可任意调节，保证检测几乎不受位置的制约，具有很好的适应性。