一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法

技术领域

本发明属于残余应力检测技术领域，具体涉及一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法。

背景技术

残余应力，是指当工件经过一些加工流程并卸载后，工件已经无外部载荷情况下，仍残留在工件内部的应力。常见的机械强化工艺，诸如喷丸、滚压，都会导致表面层残余应力的产生。表面层残余应力与工件的使用性能有密切关系。因此，有效检测和控制工件在加工过程中的残余应力具有十分重大的意义。

常用的表面硬化层残余应力测量方法有中子衍射法、剥层X射线法、裂纹柔度法、盲孔法、曲率法等。中子衍射法可以检测的深度较大，但中子衍射的空间分辨率相对较低，而且中子衍射法对设备要求较高，不易实现。剥层X射线法需逐层电解腐蚀和测量，耗时较长，效率较低。裂纹柔度法、盲孔法需要精密的机加工、粘贴应变片等，过程较为复杂，同样存在耗时较长、效率较低的问题。

曲率法主要用于较薄基体上的薄膜及涂层内的残余应力测量，文献《喷丸残余应力不同测量方法的对比研究》(河南科技大学硕士论文，2014)将曲率法用于表面加工硬化层(喷丸层)内残余应力测量，采用曲率法与剥层X射线法结合，测量出了45钢的喷丸试样硬化层内的平均残余应力及厚度。文献中曲率法计算硬化层内的平均残余应力，是基于剥层X射线法测量出的应力作用厚度。该论文的曲率法并没有给出硬化层内的平均残余应力及厚度两个参数，且应力计算公式有待完善。

针对上述现有技术中所存在的问题，提出了一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法，包括以下步骤：

S1、在表面强化后的金属板中线切割出两窄条，并测量出两窄条的曲率半径R

S2、夹持窄条硬化层的对面，两窄条取不同的t值，每一窄条在与硬化层表面的距离为t处，以曲率半径大小为R

S3、测量两薄条的曲率半径R，根据两薄条不同的t和R值计算出加工硬化层内平均残余应力σ

进一步的，在S1中，切割是采用线切割，线切割出的窄条的上下两表面中垂直于窄条的长度方向的线，即两表面中Y方向的线近似为直线，同时沿窄条厚度方向即Y方向各处的曲率半径R

进一步的，在S2中，夹持位置不得在窄条中将要切出的薄条上。两窄条取不同的t值，每一窄条在与硬化层表面的距离为t处、以曲率半径大小R

进一步的，在S3中，测量两薄条的曲率半径R的方法同R

进一步的，在S3中，两薄条的t和R都不同，计算所用方程如下：

其中，E为弹性模量，T

分别将两薄条各自的t和R值代入方程，得到两个方程，两个方程组成一个方程组，解该方程组即可得到硬化层内平均残余应力σ

进一步的，将最终所得t

若金属板硬化表面凸起，σ

若金属板硬化表面下凹，σ

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明使用的设备容易获得；检测流程简单，检测速度快，检测效率高；仅用简单的线切割，不用逐层剥离，就能同时得到平均残余应力和其作用厚度。

附图说明

图1是本发明实施例中的切割及测量示意图；

图2是本发明实施例中的变形等效转化及受力分析图；

图3是本发明实施例中的薄条中应力分布分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种金属表面加工硬化层内平均残余应力的测量方法，包括以下步骤：

S1、在表面强化后的金属板中线切割出两窄条，并测量出两窄条的曲率半径R

其中，金属板是经过滚压、喷丸或切削表面加工硬化后的板，板厚为T

具体沿图1(a)所示的虚线为电火花线切割的路径，要切割出的两窄条如图中所示第一条和第二条，窄条的上下两表面垂直于条的长度方向视为没有屈曲，即两表面Y方向为直线，如图1(b)所示，同时图1(b)中沿窄条厚度方向即Y方向各处的曲率半径R

在切出的两窄条强化表面宽度一半位置沿长度方向即X方向测量多点的高度差，即在图1(b)中标出的半径测量线上多点测量，测量用轮廓度测量仪或千分表，根据沿长度方向高度差拟合出强化表面的曲率半径R

S2、夹持窄条硬化层的对面，两窄条取不同的t值，每一窄条在与硬化层表面的距离为t处，以曲率半径大小为R

夹持位置不得在窄条将要切出的薄条上，两窄条取不同的厚度t值沿图1(b)标出的线切割位置，以曲率半径R

取t值太小，将硬化层内的残余应力平均化将误差太大；

取t值太大，切出的薄条变形太小，变形量测量误差将较大。

S3、测量两薄条的曲率半径R，根据两薄条不同的t和R值计算出加工硬化层内平均残余应力σ

测量两薄条的曲率半径R的方法同R

在S3中，两薄条的t和R都不同。

在图1中切割出的窄条如图2(a)所示，宽度为b，硬化层内平均残余应力为σ

先假设窄条没有弯曲，如图2(b)所示，在图2(b)中沿切割线切割，带有硬化层的薄条发生弯曲，如图2(c)，硬化层表面弯曲的曲率半径为R。在图2(d)有一个平直的薄条，其内无应力，其高为t和宽为b，即与图2(c)的相同。

在t

F

在下面t-t

F

在F

对图2(d)中薄条进行力的分析。将F

再对图2(e)中的薄条进行变形分析：

根据力的平衡原理和力的平移定理，则：

F

对图2(e)的横截面进行应力分布分析，则其所受应力可看做F

σ

下表面应力σ

中性面距上表面的距离z

通常R远大于z

由式(1)、(3)和(4)可得：

若考虑原有变形R

分别将两薄条各自的t和R值代入方程(6)，得到两个方程，两个方程组成一个方程组，解该方程组即可得到硬化层内平均残余应力σ

将最终所得t

若金属板硬化表面凸起，σ

若金属板硬化表面下凹，σ

实验例1：

采用45钢调质方形板试样，尺寸为120mm×120mm×15mm。在平面磨床上120mm×120mm两表面磨削除去氧化皮等，两表面中一个表面喷丸。喷丸设备为Q765型台车式喷丸清理机。铸钢丸直径为1.5～2.0mm，喷丸速度为18.20m/s，喷丸时间为30min。

一、采用本发明对残余应力测量。

所用设备及仪器为：线切割在快走丝数控线切割机床上进行，型号为DK7732，走丝速度为6m/s，钼丝直径为0.18mm。厚度测量为游标卡尺，精度0.02mm。曲率半径测量为hommel etamic轮廓度测量仪，型号hommel etamic nanoscan 855，测试精度0.1μm。

1.将磨削后的45钢调质方形板放在喷丸清理机的平台上，按上述工艺喷丸，因一个120mm×120mm面接触平台而未喷丸。喷丸后每边切去厚度约1.5mm，方形板变成了长、宽约为117mm。用游标卡尺测量板的厚度T

2.将方形板装夹在线切割机床上，沿图1(a)中虚线线切割出两窄条，窄条的宽度为10mm。

3.用轮廓度测量仪，在切出的两窄条强化表面宽度一半，约5mm位置沿长度方向X方向测量多点的高度差，长度0-110mm范围内，测量约100点；

即在图1(b)中点画线半径测量线上多点测量，基于测量值由轮廓度测量仪自带程序拟合出曲率半径R

两窄条的R

4.将第一窄条、第二窄条分别装夹在线切割机床上，切割厚度不同的薄条。装夹位置不在将要切出的薄条上，避免干扰带有硬化层的薄条的自由变形。切割路径如图1(b)中的虚线位置。第一窄条中切割出厚度t约1.50mm薄条，第二窄条中切割出厚度t约3.00mm薄条，两个窄条切割路径虚线的曲率半径R

5.用轮廓度测量仪测量两薄条的曲率半径R，曲率半径R测量方法同R

对薄条厚度t再次精确测量，用游标卡尺沿薄条长度方向均布10点测量，然后取平均值，下面公式计算时取测量平均值。第一窄条、第二窄条厚度t的平均值分别为1.46mm和3.04mm。

6.各参数测量值及弹性模量E查手册值如表1所示。分别将两薄条各自的t和R值代入下面方程，得到两个方程，两个方程组成一个方程组，解该方程组即可得到硬化层内平均残余应力σ

7.解方程组得到的σ

表1 45钢试样各参数

二、采用剥层X射线衍射法对本发明对测量结果验证。

剥层X射线衍射法测量表层残余应力虽存在耗时较长、效率较低的问题，但人们对该方法认可度较高，用剥层X射线衍射法测量同一块45钢喷丸板的残余应力，验证本发明方法的有效性。

所用设备为XSTRESS3000便携式X射线应力分析仪和Struers Movipol-3便携式金相电解抛光仪。剥层抛光电压为10V、电流为1.5A、腐蚀液为NaCl饱和水溶液。剥层厚度用电解抛光时间控制，用测深千分尺测量校验修正，测深千分尺的精度0.01mm。

剥层X射线测量结果如表2所示。由表2，得到的剥层X射线测量的平均残余应力为240MPa(压应力)。应力作用层厚度为0.35mm。

表2 45钢剥层X射线残余应力测量结果(-为压应力，+为拉应力)

本发明的测量方法结果与剥层X射线测量结果相比，平均残余应力相差仅33MPa，作用层厚度相差仅0.01mm。两种方法测得的平均残余应力和应力作用层厚度基本一致，证明了本发明方法的可行性。

实施例2：

采用16Mn正火态方形板试样，尺寸为120mm×120mm×15mm。在平面磨床上120mm×120mm两表面磨削除去氧化皮等，两表面中一个表面喷丸。喷丸设备为Q765型台车式喷丸清理机。铸钢丸直径为1.5～2.0mm，喷丸速度为18.20m/s，喷丸时间为30min。

一、采用本发明对残余应力的测量。

所用设备及仪器为：线切割在快走丝数控线切割机床上进行，型号为DK7732，走丝速度为8m/s，钼丝直径为0.18mm。厚度测量为游标卡尺，精度0.02mm。曲率半径测量为hommel etamic轮廓度测量仪，型号hommel etamic nanoscan 855，测试精度0.1μm。

1.将磨削后的16Mn正火态方形板放在喷丸清理机的平台上，按上述工艺喷丸，因一个120mm×120mm面接触平台而未喷丸。喷丸后每边切去厚度约1.5mm，方形板变成了长、宽约为117mm。用游标卡尺测量板的厚度T

2.将方形板装夹在线切割机床上，沿图1(a)中虚线线切割出两窄条。窄条的宽度为10mm。

3.用轮廓度测量仪，在切出的两窄条强化表面宽度一半，约5mm位置沿长度方向X方向测量多点的高度差，长度0-110mm范围内，测量约100点，即在图1(b)中点画线即半径测量线上多点测量，基于测量值由轮廓度测量仪自带程序拟合出曲率半径R

4.将第一窄条、第二窄条分别装夹在线切割机床上，切割厚度不同的薄条。装夹位置不在将要切出的薄条上，避免干扰带有硬化层的薄条的自由变形。切割路径如图1(b)中的虚线位置。第一窄条中切割出厚度t约1.50mm薄条，第二窄条中切割出厚度t约4.00mm薄条，两个窄条切割路径虚线的曲率半径R

5.用轮廓度测量仪测量两薄条的曲率半径R，曲率半径R测量方法同R

第一薄条、二薄条厚度t的平均值分别为1.50和4.00mm。

6.各参数测量值及弹性模量E查手册值如表3所示。分别将两薄条各自的t和R值代入下面方程，得到两个方程，两个方程组成一个方程组，解该方程组即可得到硬化层内平均残余应力σ

表3 16Mn试样各参数

二、采用剥层X射线衍射法对本发明对测量结果验证。

剥层X射线衍射法测量表层残余应力虽存在耗时较长、效率较低的问题，但人们对该方法认可度较高，用剥层X射线衍射法测量同一块16Mn钢喷丸板的残余应力，验证本发明方法的有效性。

所用设备为XSTRESS3000便携式X射线应力分析仪和Struers Movipol-3便携式金相电解抛光仪。剥层抛光电压为10V、电流为1.5A、腐蚀液为NaCl饱和水溶液。剥层厚度用电解抛光时间控制，用测深千分尺测量校验修正，测深千分尺的精度0.01mm。

剥层X射线测量结果如表4所示。由表4经沿深度应力积分，得到的剥层X射线测量的平均残余应力为224MPa(压应力)。应力作用层厚度为0.45mm。

表4 16Mn剥层X射线残余应力测量结果(-为压应力，+为拉应力)

本发明的测量方法结果与剥层X射线测量结果相比，平均残余应力相差仅13MPa，作用层厚度相差稍大为0.15mm。人们比较认可的剥层X射线法的残余应力测量精度为±25MPa。两种方法测得的平均残余应力和应力作用层厚度基本一致，证明了本发明方法的可行性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。