表面噴丸強化與X射線拋射殘余應力分析

噴丸強化的機理

在(zai)結構設計合理的前提下，各種零部(bu)件的使用壽命主要取決于(yu)它(ta)的疲勞強度。而零部(bu)件疲勞斷(duan)裂（高周或(huo)低周疲勞）的疲勞源絕(jue)大多數(shu)情況下萌生于(yu)表(biao)面。因此，金屬材料或(huo)零件的疲勞斷(duan)裂抗力（Fatigue fracture resistance）首先(xian)取決于(yu)表(biao)面狀(zhuang)態。表(biao)面噴丸強化就是目前行之有效、應用廣泛的表(biao)面處理方法。

噴丸后零件表面狀態對強化的作(zuo)用應該從以下(xia)三方面考(kao)量：

第(di)①，宏觀的(de)表面紋(wen)理(li)(li)和粗糙度（Surface roughness）。表征表面粗糙度的(de)參(can)量(liang)Ra值(zhi)越(yue)(yue)大，則材料/零件(jian)(jian)的(de)疲(pi)勞斷裂抗力越(yue)(yue)低；在Ra值(zhi)較大的(de)情況下，其紋(wen)理(li)(li)方(fang)向(xiang)性越(yue)(yue)強、紋(wen)理(li)(li)方(fang)向(xiang)與受力方(fang)向(xiang)夾角(jiao)越(yue)(yue)大，則材料/零件(jian)(jian)的(de)疲(pi)勞斷裂抗力亦(yi)越(yue)(yue)低。

第②，表面的(de)微(wei)觀(guan)組(zu)織結(jie)構（Microstructure）。在噴射(she)(she)丸粒的(de)密集撞擊作用下，表面的(de)微(wei)觀(guan)組(zu)織結(jie)構必然發生(sheng)劇烈(lie)變(bian)化(hua)，使之與材料內部(bu)不同。這里包(bao)(bao)括晶格滑(hua)移、點(dian)(dian)陣畸(ji)變(bian)、位錯增生(sheng)、位錯包(bao)(bao)的(de)形(xing)成，甚至(zhi)還可(ke)能(neng)包(bao)(bao)括相變(bian)（例如(ru)殘余奧氏(shi)體因(yin)形(xing)變(bian)而轉變(bian)為馬氏(shi)體），還可(ke)能(neng)引起表層的(de)合(he)金(jin)元(yuan)素貧化(hua)（Delution of alloying element）或(huo)外部(bu)元(yuan)素的(de)滲入(ru)（Penetration of external）等等。在X射(she)(she)線衍射(she)(she)分析(xi)中，晶體滑(hua)移、點(dian)(dian)陣畸(ji)變(bian)、位錯增生(sheng)均會引起衍射(she)(she)峰的(de)寬化(hua)和彌(mi)射(she)(she)化(hua)，表征(zheng)這一現象(xiang)的(de)參數是衍射(she)(she)峰半高寬B。研(yan)究表明，微(wei)觀(guan)組(zu)織結(jie)構的(de)變(bian)化(hua)對材料或(huo)零件的(de)疲勞斷(duan)裂抗力有著顯著的(de)影響。

第③，表面塑性(xing)變(bian)(bian)形（Plastic deformed structure）導致表層(ceng)晶(jing)格發生(sheng)統計的(de)(de)(de)(de)(de)傾向(xiang)性(xing)彈性(xing)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)，從而(er)產生(sheng)宏觀內應(ying)(ying)(ying)力，即殘(can)余應(ying)(ying)(ying)力（Residual stress）。在X射(she)線衍射(she)分(fen)析中(zhong)，殘(can)余應(ying)(ying)(ying)力會(hui)引(yin)起衍射(she)峰的(de)(de)(de)(de)(de)偏移(yi)。研究表明，在大(da)(da)部(bu)分(fen)情況下，適當的(de)(de)(de)(de)(de)殘(can)余壓應(ying)(ying)(ying)力是(shi)提高(gao)零件(jian)疲(pi)勞強度的(de)(de)(de)(de)(de)主要因(yin)素，而(er)它的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)和沿層(ceng)深(shen)分(fen)布(bu)狀(zhuang)況，對材(cai)料或零件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞斷裂抗力有決定性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。

因此，對噴(pen)丸強化(hua)的材料和零部件進行(xing)X射線衍射分析，測定殘余應力(li)及其沿層深的分布，同時讀取半高寬(kuan)B的變化(hua)，是(shi)檢(jian)驗(yan)、評價和分析噴(pen)丸強化(hua)工藝效果不(bu)可或缺的手(shou)段、

1.X射(she)線殘余應力分析的原(yuan)理(li)與方(fang)法

測量原理基于(yu)X射線衍射理論。

當一束(shu)具有(you)一定(ding)波長λ的X射(she)(she)線(xian)(xian)照射(she)(she)到多晶體上(shang)(shang)時，會在一定(ding)的角度2θ上(shang)(shang)接收到反射(she)(she)的X射(she)(she)線(xian)(xian)強度極大值（即所謂(wei)衍射(she)(she)峰），這便是(shi)X射(she)(she)線(xian)(xian)衍射(she)(she)現象（如圖3所示）。X射(she)(she)線(xian)(xian)的波長λ、衍射(she)(she)鏡面間(jian)(jian)距d和衍射(she)(she)角2λ之間(jian)(jian)遵從注(zhu)明(ming)的布拉(la)格定(ding)律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

 在已知X射線(xian)波長λ的(de)條件下，布拉格(ge)定律把宏觀(guan)(guan)上(shang)可以(yi)測量的(de)衍射角2θ與微觀(guan)(guan)的(de)晶面間距(ju)d建立(li)起確定的(de)關(guan)系。

X射線應(ying)(ying)力測定(ding)基本的(de)(de)思(si)路是把與宏觀(guan)應(ying)(ying)力σ對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)宏觀(guan)應(ying)(ying)變(bian)(bian)ε看成(cheng)是相應(ying)(ying)范圍內晶格應(ying)(ying)變(bian)(bian)的(de)(de)統(tong)計效應(ying)(ying)；而(er)晶格應(ying)(ying)變(bian)(bian)即晶面間(jian)距d的(de)(de)相對(dui)變(bian)(bian)化Δd/d，可以根(gen)據(ju)布拉格定(ding)律，通過(guo)衍射實驗求出。這(zhe)是俄國(guo)學者(zhe)阿克先諾夫（Akcehob）于1929年提(ti)出的(de)(de)。又經歷了三四十年，德國(guo)學者(zhe)E·馬(ma)赫(he)(he)勞(lao)赫(he)(he)（E.Macherauch）提(ti)出sin2ψ法，才把這(zhe)一思(si)路變(bian)(bian)成(cheng)成(cheng)熟的(de)(de)、可操(cao)作的(de)(de)測試方法。

對(dui)于(yu)晶(jing)(jing)粒(li)細(xi)小，無織(zhi)構(gou)的(de)(de)多(duo)(duo)晶(jing)(jing)材料，在一束X射(she)線(xian)(xian)照射(she)范圍里會(hui)有許許多(duo)(duo)多(duo)(duo)晶(jing)(jing)粒(li)，它們的(de)(de)結(jie)晶(jing)(jing)學方(fang)(fang)向(xiang)是充分紊亂的(de)(de)，所選(xuan)的(de)(de)的(de)(de)（hkl）晶(jing)(jing)面處于(yu)空間任(ren)何(he)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)機(ji)會(hui)均等；但是在材料中(zhong)存在應(ying)力σ的(de)(de)情況下(xia)，處于(yu)不同(tong)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)（hkl）晶(jing)(jing)面，其(qi)晶(jing)(jing)面間距(ju)d會(hui)有所變化；如果在不同(tong)方(fang)(fang)向(xiang)上作得的(de)(de)衍(yan)射(she)角(jiao)2θ也會(hui)隨之(zhi)而變。令衍(yan)射(she)晶(jing)(jing)面法(fa)線(xian)(xian)與試樣(yang)表面法(fa)線(xian)(xian)之(zhi)夾角(jiao)為ψ，根(gen)據彈性理論和布拉格(ge)定律，可(ke)以推導出：

σ = K·M

M = ?2θ/?sin2ψ

式中K為(wei)應力常數，

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中(zhong)σ為應(ying)力(li)值，K為應(ying)力(li)常數，2θ為對(dui)應(ying)于各ψ角的衍射(she)角測量值，M即2θ對(dui)sin2ψ

的(de)變化斜率（如(ru)圖4所示），由布拉(la)格(ge)定(ding)律(lv)可(ke)知它(ta)反(fan)映的(de)就是(shi)(shi)晶(jing)面(mian)間距d隨(sui)衍射晶(jing)面(mian)方位角ψ的(de)變化趨勢和(he)急緩(huan)程(cheng)度。在圖4中2θ隨(sui)sin2ψ增大(da)而增大(da)，說明d隨(sui)之減小，顯然(ran)是(shi)(shi)壓應力。

 這樣看來，X射線(xian)應(ying)力測定(ding)的實質任(ren)務就是選定(ding)若干個ψ角，測定(ding)它所對應(ying)的衍射角2θ，然后計算2θ對sin2ψ的斜率(lv)M，再(zai)乘以應(ying)力常數K即應(ying)力值σ。

2.X-350A型X射線應(ying)力測定儀(yi)的功能特點(dian)

3.X射(she)(she)線應力測定(ding)方法(fa)(fa)(fa)(fa)分為同傾(qing)(qing)法(fa)(fa)(fa)(fa)和側(ce)(ce)傾(qing)(qing)法(fa)(fa)(fa)(fa)，側(ce)(ce)傾(qing)(qing)法(fa)(fa)(fa)(fa)比同傾(qing)(qing)法(fa)(fa)(fa)(fa)具(ju)有無可(ke)比擬的(de)(de)優越(yue)性；從另一角度分類又(you)分為固(gu)定(ding)ψ0 法(fa)(fa)(fa)(fa)和固(gu)定(ding)ψ法(fa)(fa)(fa)(fa)，后者(zhe)又(you)因(yin)原(yuan)理準確(que)實(shi)用效果好而(er)優于(yu)前者(zhe)。更具(ju)魅力的(de)(de)是將此二優結合起來，即在側(ce)(ce)傾(qing)(qing)的(de)(de)條件下實(shi)施固(gu)定(ding)ψ法(fa)(fa)(fa)(fa)便(bian)會產生喜(xi)人的(de)(de)新(xin)特(te)點(dian)——吸(xi)收因(yin)子(zi)恒等于(yu)1。這就是說，不論衍射(she)(she)峰(feng)是否漫散，它的(de)(de)背底都不會傾(qing)(qing)斜，峰(feng)形基本對(dui)稱，而(er)且(qie)在無織構的(de)(de)情(qing)況下峰(feng)形及強度不隨ψ角的(de)(de)改變而(er)變化（如圖5所示(shi)）。顯然這個特(te)點(dian)對(dui)提高(gao)測量精度是十分有利的(de)(de)。所以行家們一致認為側(ce)(ce)傾(qing)(qing)固(gu)定(ding)ψ法(fa)(fa)(fa)(fa)是理想的(de)(de)測量方法(fa)(fa)(fa)(fa)。

X-350A型X射線應力測定(ding)儀（圖6），以θ-θ掃描(miao)ψ測角儀為主要(yao)特(te)征(zheng)，完美地實(shi)現側傾(qing)固(gu)定(ding)ψ法，其(qi)功能特(te)點如下(xia)：

（1）X-350A型(xing)儀器的測角儀以其獨(du)特的構思和巧妙的設計，使(shi)(shi)得在2θ平(ping)面上的X光管和探測器同時(shi)等速相(xiang)(xiang)對而行，嚴格滿足(zu)固(gu)定(ding)ψ法的幾(ji)何要(yao)素(su)；另外又使(shi)(shi)2θ平(ping)面與(yu)ψ平(ping)面相(xiang)(xiang)互(hu)獨(du)立并始終處于(yu)相(xiang)(xiang)互(hu)垂直狀(zhuang)態，這樣便準確無誤(wu)地(di)實現(xian)了側(ce)傾固(gu)定(ding)ψ法，同時(shi)保持(chi)結構簡潔靈活(huo)輕便的特點。

（2）2θ掃描范圍：120°—170°，測(ce)定應(ying)力既可利(li)用高(gao)衍射角(jiao)又可利(li)用低衍射角(jiao)。這樣，除適(shi)用于(yu)鐵(tie)素(su)體型鋼和鑄鐵(tie)材(cai)料(liao)之外，還(huan)為奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼、鋁合金(jin)、鈦合金(jin)、銅合金(jin)以及高(gao)溫合金(jin)、硬(ying)質合金(jin)等(deng)材(cai)料(liao)的(de)應(ying)力測(ce)定帶來(lai)方便(bian)并(bing)可提高(gao)測(ce)量精(jing)度、側傾固定ψ法另一特點是對于(yu)各種形狀的(de)零部(bu)件有更好(hao)的(de)適(shi)應(ying)性。

（3）該儀器測角(jiao)(jiao)儀的(de)(de)衍射(she)(she)幾(ji)何(he)為聚(ju)焦(jiao)發(fa)。如(ru)圖7所示。在X射(she)(she)線(xian)管和(he)X射(she)(she)線(xian)探(tan)(tan)測器以θ-θ方式(shi)沿測角(jiao)(jiao)儀圓(yuan)掃(sao)描過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，X光(guang)源點、試樣上被(bei)照射(she)(she)點和(he)探(tan)(tan)測器接受點，三(san)者隨(sui)時(shi)同處在一(yi)個聚(ju)焦(jiao)圓(yuan)上，當然，隨(sui)著(zhu)掃(sao)描過(guo)(guo)程(cheng)，聚(ju)焦(jiao)圓(yuan)的(de)(de)大小是逐步變(bian)化(hua)的(de)(de)。聚(ju)焦(jiao)法的(de)(de)優點是從一(yi)個點光(guang)源發(fa)射(she)(she)出來的(de)(de)X射(she)(she)線(xian)，照射(she)(she)到被(bei)測工(gong)件的(de)(de)一(yi)定區域，反射(she)(she)線(xian)會準確地聚(ju)焦(jiao)到探(tan)(tan)測器的(de)(de)窗口(kou)，衍射(she)(she)線(xian)能量集中(zhong)，測試精度高。

（4）測(ce)(ce)定殘(can)(can)余(yu)(yu)奧(ao)氏體(ti)含量(liang)方(fang)(fang)便(bian)、快捷、準確。該儀(yi)器2θ掃描(miao)范圍120°—170°，故而(er)在一次(ci)掃描(miao)中可(ke)以得(de)到(dao)(dao)αFe（211）、γFe（220）兩個完整的(de)(de)(de)(de)(de)衍射峰，無需另外安(an)裝延長(chang)掃描(miao)范圍的(de)(de)(de)(de)(de)附件，亦(yi)無須在測(ce)(ce)試過(guo)程中人為移動探測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)位置或X射線入設方(fang)(fang)向。而(er)且(qie)可(ke)以針對(dui)同一測(ce)(ce)試點取不同的(de)(de)(de)(de)(de)φ角、ψ角進行(xing)測(ce)(ce)定，以便(bian)探測(ce)(ce)織構的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。必要時，可(ke)以做到(dao)(dao)殘(can)(can)奧(ao)含量(liang)和殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)力(li)同時測(ce)(ce)定，亦(yi)即一次(ci)測(ce)(ce)量(liang)得(de)到(dao)(dao)殘(can)(can)奧(ao)含量(liang)和殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)力(li)兩項數據。這些都是該儀(yi)器獨有的(de)(de)(de)(de)(de)功能，對(dui)于(yu)各種實體(ti)工件具有可(ke)貴的(de)(de)(de)(de)(de)實用價值。

（5）支(zhi)架與測(ce)(ce)角儀之間裝(zhuang)備了針對同一(yi)測(ce)(ce)試點阻焊φ角的連接機構，因此可(ke)測(ce)(ce)定(ding)主應力的大小及其方向，并可(ke)測(ce)(ce)定(ding)剪切應力。

（6）采用十字(zi)激(ji)(ji)光和點狀激(ji)(ji)光相配合(he)構成的激(ji)(ji)光定位(wei)器，使得確(que)(que)定測試(shi)點的位(wei)置、校(xiao)準(zhun)(zhun)照射(she)距離和垂(chui)直度，準(zhun)(zhun)確(que)(que)快捷(jie)而(er)方(fang)便，能夠(gou)明確(que)(que)指(zhi)示(shi)測點位(wei)置和待測應(ying)力的方(fang)向。