分享：再制造工件表面的殘余應力分布
摘 要:通過電鍍和焊接兩種方式模擬了工件的再制造過程,研究了電鍍處理后工件表面殘余 應力的變化規(guī)律,同時研究了采用 X射線衍射法和壓痕應變法對焊縫區(qū)進行殘余應力測試結果的 差異.結果表明:隨著鍍鉻層厚度的增加,鍍層殘余應力先增大后減小,后又增大;采用 X 射線衍 射法和壓痕應變法測試得到的焊縫兩側的殘余應力變化總體趨勢是一致的,但由于測試原理的不 同,在不同部位兩種方法的測試結果存在不同大小的偏差,且該差異呈現(xiàn)隨機性.
關鍵詞:再制造;電鍍;焊接;殘余應力;X射線衍射法;壓痕應變法
中圖分類號:TG１７８ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８８７Ｇ０４
再制造亦稱綠色再制造技術,是先進制造技術 的一個重要組成部分和發(fā)展方向,被譽為２１世紀極 具潛力的新型產業(yè),再制造是統(tǒng)籌考慮全生命周期 的系統(tǒng)工程.再制造針對損壞或將報廢的零部件, 在性能失效分析、壽命評估等分析的基礎上,采用先 進的成型技術進行再制造工程設計、修復和改造,使 經(jīng)過修復處理的再制造產品的性能和質量達到甚至 超過原零部件的水平.再制造技術充分挖掘制造業(yè) 產品的可利用價值,讓能源和資源接近“零浪費”,并 能為社會創(chuàng)造更多的價值[１Ｇ３].再制造加工技術門 類十分廣泛,總體上可分為３類:加法再制造、減法 再制造和替換法再制造.其中鍍鉻作為加法再制造 修復的一種重要手段,不僅修復了再制造產品的尺 寸,而且鍍鉻層具有硬度高、耐磨、耐腐蝕、耐硫化 物、耐有機酸、順磁、不易變色、長期保持光澤等特 點[４].但鍍鉻層如存在殘余應力,對鍍層的性能如 孔隙率和疲勞強度等會有很大的影響[５].殘余應力 是在沒有外力或外力矩作用的條件下,構件或材料內部存在并且自身保持平衡的宏觀應力[６].殘余應 力的測定,對于確保工件的安全性和可靠性有著非 常重要的意義[７].目前殘余應力的測定方法很多, 主要有鉆孔法、X射線衍射法、磁性法、超聲法、壓痕 法等[８].鑒于這些方法的應用都有一定的局限性, 殘余應力測試技術至今仍是一個有待深入研究的課 題[９].筆者所在實驗室在該檢測領域目前配有 X 射線衍射儀和壓痕應力儀兩種殘余應力測試設備. 其中:X射線衍射法是根據(jù)材料或制品晶面間距的 變化測定應力的,它是表面殘余應力測定技術中為 數(shù)不多的無損檢測方法之一,至今仍是研究得最廣 泛、深入、成熟的內應力測定方法[１０];壓痕應變法是 近年來國內外重點研究的課題,具有無損、便捷、精 度高等 特 點,特 別 適 用 于 在 現(xiàn) 場 對 原 板 進 行 測 試[１１].筆者分別采用這兩種方法對４５鋼再制造零 件進行了殘余應力測試,并對兩種方法的測試結果 進行了對比,通過對比了解了這兩種殘余應力測定 方法在測試再制造零件時的差異和關聯(lián),為日后檢 測方法的選擇提供技術依據(jù).
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗材料為再制造工件常用材料４５鋼,分成兩 組,分別進行電鍍鉻處理和焊接處理來模擬常用的再 制造工藝.其中電鍍鉻處理的電解液成分如表１所 示,電鍍工藝參數(shù)如表２所示,電鍍時間為１~４．５h.
１．２ 殘余應力試測
采用 X射線應力儀對電鍍鉻層的殘余應力進 行測試,分析研究不同電鍍時間后鍍鉻層的殘余應 力分布情況.分別采用 X 射線衍射法和壓痕應變 法對焊接后的鋼材進行殘余應力測試,分析兩者的 關聯(lián)以及差異.
１．２．１ X射線衍射法
檢測設備型號為 XＧ３５０A.基本檢測步驟為對試樣測試點進行表面處理,去除污物,調試設備,將 試樣放入儀器中,置于測角儀回轉中心上,關閉防護 柜橫拉門,設定試驗參數(shù)如表３所示,開始測試.
１．２．２ 壓痕應變法
檢測設備型號為 KJSＧ３P.基本檢測步驟為對 試樣測試點進行粗磨、拋光,貼上 BA１２０Ｇ１BA(１１)Ｇ ZKY 型應變片,切斷應變片基片與壓痕打擊點處的 聯(lián)系,連接應變片與應變儀,設置試驗參數(shù)如表４所 示,對中打擊位置,打擊壓痕.
２ 試驗結果與討論
２．１ 電鍍時間對鍍鉻層殘余應力的影響
殘余應力是影響鍍層性能的重要因素,其測試 方法有很多種,目前基片變形法和 X 射線衍射法在 國際上應用最為廣泛,其中基片變形法測量應變時 人為誤差較大,故試驗選用 X 射線衍射法測定鍍鉻 層的殘余應力.結果表明,不同厚度鍍鉻層的殘余 應力有明顯差異,如圖１所示.從圖１可以看出,電 鍍鉻層的殘余應力都大于零,表現(xiàn)為拉應力,且隨著 鍍鉻層厚度的增加,殘余應力的變化呈現(xiàn)忽大忽小 的變化趨勢.
對其原因進行分析,該變化趨勢是鍍鉻層的不 斷累積 和 開 裂 過 程 造 成 的. 根 據(jù) 氫 化 物 分 解 理論[１２Ｇ１６],在電鍍鉻過程中,由于電流效率低使得副 反應產生大量氫,其中一部分氫進入鍍鉻層中.在 鉻沉積初期,氫與金屬鍍層總是以六方晶格的鉻氫 化物(Cr２H 到 CrH２)為主.該結構是不穩(wěn)定的,當 晶粒長大到某一臨界尺寸時,該鉻氫化物容易分解 成更穩(wěn)定的體心立方晶格,并釋放出游離氫(常溫時 即可分解),在該相變過程中體積大約收縮１５％以 上;另一方面,鉻氫化物分解后,氫的擴散逸出也會 導致鍍層體積減小而收縮.在這兩方面共同作用 下,鍍鉻層內部產生較大的應力.隨著晶粒的長大, 晶格扭曲變形越來越嚴重,鍍層的殘余應力也隨之 增大,當鍍層的殘余應力達到臨界點,大于鍍層的抗 拉強度時,鍍層發(fā)生開裂,形成微裂紋,部分殘余應 力得以釋放.隨著電鍍時間的繼續(xù)延長,殘余應力 的減小趨于穩(wěn)定,隨后又會循環(huán)之前的過程.
由此看來,經(jīng)過電鍍再制造處理后,工件表層多 少都會存在一定的殘余拉應力,具有一定的危害性, 在使用中會存在一定的隱患,建議進行適當?shù)娜? 力處理.
２．２ X 射線衍射法與壓痕法測定表面殘余應力的 差異分析
焊接處理后的鋼板如圖２所示,從垂直于鋼板 焊縫方向分別選?。穫€測試點,貫穿母材、熱影響區(qū) 和焊縫,其中１,２,６,７四點處于母材位置,３和５兩 點處于熱影響區(qū),點４則正好處于焊縫中心位置. 分別采用 X 射線衍射法和壓痕應變法對這７個點 進行殘余應力測試.
從圖３可以看出,不管采用哪種測試方法,都能 發(fā)現(xiàn)在垂直于焊縫的方向上,殘余應力的變化趨勢 呈現(xiàn)拋物線形狀,即母材上的殘余應力基本保持在 零點左右波動,到達熱影響區(qū)后殘余應力逐漸增大 為拉應力,再往里在焊縫中心處,殘余應力快速增加 至１８３．９MPa,與傳統(tǒng)的認識相一致.
另一方面,對比兩種測試方法,不難發(fā)現(xiàn)盡管測 得的殘余應力具有相同的變化趨勢,但是從每一個 殘余應力數(shù)值上來看,兩者之間的差異較大,最大的 差異甚至達到了１３１ MPa.對原因進行分析,主要 是因為兩種方法的測試原理有所不同.X射線衍射 法測定殘余應力的依據(jù)是根據(jù)彈性力學及 X 射線 晶體學理論.對于理想的多晶體,在無應力的狀態(tài) 下,不同方位的同族晶面間距是相等的,而當受到一 定的表面殘余應力σ 時,不同晶粒的同族晶面間距 隨晶面方位及應力的大小而發(fā)生有規(guī)律的變化,從 而使 X射線衍射譜線發(fā)生位偏移,根據(jù)位偏移的大 小可以計算出殘余應力.壓痕法測定殘余應力是通 過制造壓痕產生一個額外的應力場,與原有應力場 互相作用使壓痕周圍的應力值發(fā)生改變,差值即為 應變增量,應變增量與殘余應變之間存在一定的數(shù) 學關系,根據(jù)該關系即可計算出殘余應力.由此可 見,X射線衍射法是基于微觀結構變化的測試方法, 所測試的區(qū)域也是微區(qū),往往都是微米級的區(qū)域,測 試深度也比較淺,測得的是淺表層的殘余應力;相對 而言,壓痕法的測試原理則比較宏觀,無論是從測試 面積還是深度上都要比 X 射線衍射法來的大.對 于完全均勻的材料,從理論上說兩種方法的測試結 果是一致的,但實際的工件不可能是均勻的,而且殘 余應力與宏觀應力不同,是一個變化起伏較大的量, 在材料內部同樣不可能均勻存在,因此導致最終兩 者的測試結果存在較大差異.當然兩種測試方法也 各自有著很多影響準確測試的因素,同樣會造成測 試結果的差異.
３ 結論
(１)電鍍鉻層的殘余應力均表現(xiàn)為拉應力,且 隨著電鍍時間的延長,鍍層的殘余應力呈現(xiàn)先增大 后減小,后又增大的變化趨勢.
(２)采用 X 射線衍射法和壓痕應變法進行殘余 應力測試得出的４５鋼焊縫區(qū)殘余應力變體總體趨 勢是一致的,但由于測試原理的不同,在不同部位測 得的殘余應力存在不同大小的偏差,且該差異呈現(xiàn) 隨機性.
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文章來源——材料與測試網(wǎng)
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