X射线法测量铸造支座的残余应力

肖 宁，吴寒剑，谢红初

（广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州 545000）

0 引言

铸件在凝固和冷却过程中，由于各部分的冷却速度差异、收缩受阻及组织转变引起体积变化等因素，不可避免地会产生铸造应力，如果铸造应力未得到释放，将会以残余应力的形式保留在铸件内。铸件的残余内应力越大，会使零件在放置、运转、加工和使用过程中产生变形，尺寸精度降低严重时会发生开裂［1－2］。因此，怎样测量残余应力的大小，如何调整残余应力的分布，采取什么方法减小或消除残余应力对工件的影响成为研究探索的一个重要领域。本文将采用X－350A型X射线应力测定仪的侧倾固定ψ（晶面法线与表面法线夹角）法测量铸造支座底部和圆柱部位的残余应力。

1 X射线衍射技术测量原理

X射线应力测定的基本思路是一定的应力状态引起的材料晶格应变和宏观应变是一致的。晶格应变可以通过X射线衍射技术测出，宏观应变可根据弹性力学求得，因此从测得的晶格应变可推知宏观应力。测量原理基于X射线衍射理论，当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度的极大值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如图1所示）。X射线的波长λ、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律：

在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此我们有可能通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。对于各向同性的多晶材料，在平面应力状况下，依据布拉格定律和弹性理论可以导出应力值σ正比于2θ随sinψ变化的斜率M，即 ：

图1 X射线的衍射现象

2 铸造支座残余应力的测试

2.1 测试方法

本次测量设备采用邯郸高新技术发展总公司爱斯特研究所研制的X－350A型X射线应力测定仪，该仪器应力测试误差为±25MPa。本次测量参数为：X射线管靶材采用Cr靶，X射线管压为20kV，管流为5 mA，准直管直径为Φ0.6，2θ扫描范围为162°～151°，2θ扫描最小步距为0.1°，2θ扫描每步计数时间为0.5 s，ψ角范围为0°～45°。测量方法采用侧倾固定ψ法，定峰方法采用交相关法。

2.2 测量过程

测量过程如下：

（1）对铸造支座底部待测位置编号，用阿拉伯数字1，2，3表示3个不同待测位置，如图2所示。

图2 铸造支座底部位置编号

（2）对铸造支座圆柱部位待测位置编号，用阿拉伯数字4，5，6表示3个不同待测位置，如图3所示。

（3）对各待测位置表面进行打磨，先用打磨机打磨，然后用砂纸打磨直至表面平整光滑，最后对打磨表面电解抛光。

（4）开启X－350A型X射线残余应力测定仪，预热10min。同时开启电脑打开控制软件，调整测量参数，如图4、图5所示。

图3 铸造支座圆柱部位位置编号

（5）用X－350A型X射线残余应力测定仪测量还原铁粉应力值，对其进行原始标定检验机器的精度，标定结果如图6所示，测得的残余应力值为－9.7MPa，在规定的±25MPa之间，因此机器不需要进行相关调整。

（6）正确装夹工件，开始测量，每个编号位置测量3次。

图4 应力测试方法选择

图5 应力测试条件参数选择

图6 标定结果

3 测量结果与数据处理

3.1 测量结果

对6个编号部位各测量3次（用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示），测量结果如表1所示。

表1 残余应力测量结果 MPa

3.2 数据处理

采用标准偏差计算方法对测量结果进行分析计算，计算得出的铸造支座底部残余应力值分布区间为（－199.96MPa，－171.42MPa）；铸造支座圆柱部位残余应力值分布区间为（492.49MPa，526.63MPa）。

4 结论

由测量结果可知，铸造支座底部表现为压应力作用，圆柱部位表现为拉应力作用。另外，由于边缘效应造成铸造支座底部边缘局部发生了应力释放，所以应力在数值上小于圆柱部位应力值，但二者都真实反映了铸造支座的原始应力状态。了解铸造支座各部位残余应力分布区间和一般规律，可为今后支座的铸造工艺设计和结构设计提供指导，为如何消除或减小应力指明方向，选用适当的生产工艺，达到最好的效果并得到最大的效益。

［1］中国机械工程学会铸造分会.铸造手册1：铸铁［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］中国机械工程学会铸造分会.铸造手册5：铸铁工艺［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］张定铨.残余应力测定的基本知识［J］.理化检验－物理分册，2007，43（5）：263－265.