基于X射线应力仪的大型仪器设备购置论证案例分析

易力力, 陶桂宝, 肖雨亮, 康 玲

(重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

0 引 言

随着我国教育事业的发展，大型精密仪器设备在高校中的数量逐年递增，对提高实验教学质量和促进科研稳步发展方面发挥了关键的作用。但大型精密仪器设备多数属于进口设备，其价格昂贵，如果在购置前缺乏早期规划，论证不充分则容易出现重复购置、招标过程技术要求制定不合理等问题，最终导致设备使用效率低甚至闲置现象[1]。在大型设备购置前期,加强论证工作是规范设备购置流程和提高设备使用效益的有效途径，教育部《高等学校仪器设备管理办法》规定，购置贵重仪器设备必须先进行可行性论证。本文以机械传动国家重点实验室购置X射线应力分析仪设备为例从购置论证6个方面研究如何更好地开展大型仪器设备购置论证工作。

1 充分体现学科特色

齿轮及其传动装置是国民经济和国防重大装备所需的关键基础和通用零部件，是衡量一个国家基础工业发展水平的重要标志，其服役特性直接决定装备的运行性能、寿命、安全性和可靠性。齿轮在热处理和加工制造过程中，材料内部将产生塑性变形, 由于塑性变形不均匀性将导致材料内部形成残余应力。①残余应力可能会导致齿轮在使用期间更容易出现影响服役寿命的变形或翘曲，严重者导致开裂等；②残余应力控制适当,可以用于提高零件的疲劳强度和耐磨性能，从而提高齿轮服役寿命[2]。研究工件的残余应力在生产工序中的形成过程及最终数值，并跟踪其最终的服役寿命，最终建立一套关联机制和数据库，为相关传动件的质量控制提供理论和实践支持具有重要意义。

机械传动国家重点实验室针对国家齿轮基础数据匮乏和国家重大工程传动装置依赖进口等问题，拟建设齿轮基础数据测试平台和特殊环境下的齿轮传动系统性能测试平台，其中对齿轮机加工和热处理过程应力分析和齿根应力分析需要购置X射线应力仪；重庆市增材制造重点实验室开展面向航空航天的钛合金复杂零件增材制造研究，需要分析钛合金零件制造过程中的应力分布，从而研究其烧结工艺。

因此，购置X射线应力仪对机械传动国家重点实验室的发展和学科交叉具有促进作用，购置理由充分。

2 满足实际需求并具有良好的前瞻性

根据被测试件是否在测量过程中受到损坏，残余应力测试的方法分为以机械方法为主的有损测试法和以物理方法为主的无损测试法两大类。有损测试法是利用机械加工的方法去除零件的一部分，从而释放部分或全部残余应力，同时会造成局部位移与应变，通过传感器测量到这些位移或应变值后可通过力学分析计算出原始存在的残余应力[3]。典型的有损测试法有钻孔法、环芯法、取条法、剥层法等。无损测试残余应力是利用材料中残余应力状态引起某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力(应变)间的关系，通过测定这一物理量推算出残余应力。典型的无损测试法有X射线衍射法、中子衍射法、磁性法和超声法等[4]。

X射线衍射法检测残余应力的原理是：理想多晶体在无应力状态下,不同方位的同族晶面间距相等，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及受到的表面残余应力大小发生有规律的变化,该变化可导致X射线衍射谱线发生位偏移,根据位偏移的大小计算出残余应力[5]。与其他方法相比，用X射线衍射法测定应力有许多优点:①可测定表层各局部小区域应力；②可同时分别测得宏观应力与微观应力；③可同时测得复相中各相的应力等；④可以借助电解抛光等手段测定应力沿层深的分布。“第十次残余应力国际会议”收录196篇论文中，使用X射线衍射法进行残余应力测量研究的为71篇。可以说，在各种测量残余应力的无损测定方法之中，X射线衍射法因其具有原理可靠，方法完善等优势，被公认为最成熟和最实用的测量方法。

X射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，可以用于各种实体工件的测量，而且其机械结构保证了能够对同一点以不同的φ角、Ψ角进行测试，从而探测织构对残余应力的影响关系。目前国内外厂商生产的X射线应力仪根据理论算法分为两大阵营，符合国标GB7704—87、欧标EN15305-2008和美标ASTM E-915的sin2ψ算法阵营，以芬兰StressTech公司、加拿大Proto公司和我国爱斯特公司为代表；以二维探测器的快速检测为主要特点但缺乏具体国际支撑标准的cosα算法阵营，以日本PulseTech公司和日本理学公司为代表。

不同原理的设备使用方法、应用范围、测量特点有些许不同。针对重庆大学机械传动国家重点实验室的需求，建议购置的X射线应力分析仪应具有：①能够无损检测齿轮齿根残余应力；②能够对检测的应力进行对标分析；③能够检测曲率半径小于1 mm的曲面处的应力；④能够对钢铁、铝合金、镁合金和钛合金材料进行应力检测。

3 加强调研，充分对比

3.1 理论对比

发展至今，X射线应力仪从算法上分为算法sin2ψ和cosα算法为标志的两大阵营，sin2ψ算法阵营满足欧标、美标、国标的要求；cosα算法阵营从衍射原理上与sin2ψ算法阵营相同，都是通过衍射角和应变之间的布拉格方程关系来计算残余应力。

(1) sin2ψ算法[6-7]。欧标EN15305-2008对应用X射线衍射法在多晶试样近表面无损测定宏观残余应力的试验方法进行了详细介绍。根据弹性力学理论，多晶试样在角度φ和ψ方向的应变为：

(1)

多晶试样εφψ值可以通过X射线衍射实验测定，根据τφ的不同，式(1)可以用

εφψ=Asin2ψ+C，τφ=0

(2)

εφψ=Asin2ψ+Bsin 2ψ+C，τφ≠0

(3)

来表述,其中式(2)中εφψ和sin2ψ为线性关系,式(3)中εφψ和sin2ψ的函数关系为椭圆曲线。

在曲面或焊缝等表面不平的区域，或者存在应力梯度和织构等场合，无法假设剪切应力为零(τφ=0)，使用线性算法式(2)则会得到错误的检测结果，应尽可能使用三维应力模型。

(2) cosα算法[8-9]。cosα算法阵营采用了先进的采用先进的全二维探测器技术，二维面探仪在探测器上均匀分布有n个探测头，可以测得n个衍射角的变化，从而计算出n个方向的应变值，根据

(4)

可以计算出n/4个a1，并代入下式：

(5)

将a1对cosα作偏导，可以计算出材料的残余应力。

欧标EN15305-2008附录中补充有对使用二维面探技术检测应力方法的描述，通过多次曝光，获取完整德拜锥，在假设剪切应力存在的情况下通过椭圆拟合算法获得应力值。

(3) 调研情况。通过对芬兰StressTech公司、加拿大Proto公司和日本PulseTech公司具体产品检测原理的调研，了解到其中芬兰StressTech公司和加拿大Proto公司的设备均参照sin2ψ算法，符合国内国际标准；日本PulseTech公司使用二维面探技术，在假设平面应力情况下将德拜锥简化为德拜环，通过单次曝光和线性拟合方式快速获得应力值，故日本PulseTech公司设备对钢铁等细晶材料，平面无织构的零件应力检测具有明显的高效率和便捷性优势，但在测量应力梯度、织构、粗晶、表面情况不理想等复杂情况的残余应力时不适用。

3.2 数据采集方法

欧标EN15305-2008对ω方法、χ方法和修改的χ方法3种常用的数据采集方法进行了阐述。

(1)ω方法也称同倾法。即样品(或测角仪)沿ω轴旋转，ω和2θ在同一平面上。同倾法具有以下优点：①机械结构简单，测角仪摆动角度β与探测器位置ψ1和ψ2之间的关系是固定常数；②椭圆拟合方程有解，可同时计算出正应力和剪应力；③对定高精度要求不高，测量重复精度高；④在测量圆柱形表面时可使用长方形准直器，在不降低测量精度的情况下增加曝光面积，获得更强的衍射峰信号，提高测量精度。同倾法也存在一定的局限性，在探测器在摆动方向受阻时，需用其他方法。

(2)χ方法也称单探测器侧倾法。即X射线入射角和衍射角对称于样品法线的两侧，测角仪平面垂直于被测应力方向，因此存在正负ψ角补偿时的散焦效应是相同的优势。但该方法在机械原理上较为复杂，甚至需要额外的设备(如摇架)来实现。

(3) 修改的χ方法也称双探测器侧倾法。即样品沿一个垂直于ω和2θ的平面上的χ轴旋转，在χ=0 时，入射光垂直于试样表面， 对应的ω=90°。两个探测器对称放置在入射光束的两侧。基于方法的设备机械结构简单，多用于便携式机型。但是，修改的χ法存在严重的缺陷：①完整应力方程无解，不能同时计算出正应力和剪应力，只能测量平面应力，无法测量三维应力，可能会在没有预警的情况下给出错误结果；②由于两个探测器采集到不同的衍射晶体样本，因此在测量有织构的或大晶粒尺寸样品时可能会出现问题，因此修改的侧倾法不适合测挤压成型件、 焊缝等；③对定高精度要求高，测量重复精度差。

芬兰StressTech公司和加拿大Proto公司的设备均能使用同倾法和双探测器侧倾法，但两公司各有所侧重，芬兰StressTech公司主要使用双探测器侧倾法检测应力，加拿大Proto公司主要使用同倾法检测应力。

3.3 X射线应力仪影响检测的关键的因素

3.3.1 X射线的选择

准确测定残余应力的关键是选择正确的X射线管阳极和X射线束波长[6]。选择X射线时，应考虑：①衍射峰有足够的强度，使探测器更容易获取；②把衍射峰出现的2θ角越大应力测量精度越高；③能有效拉开Kα和Kβ峰的距离；④测量钛合金材料时考虑双峰干扰问题，欧标推荐采用铜靶X射线管；⑤在条件允许的情况下尽量选用较宽的探测器以避免出现峰形不完整带来的误差。

3.3.2 测试材料的影响

铝样本常常存在晶粒不均匀的特性，测量时需要采用以下方法解决：①使用大尺寸光缝；②增加β轴和α轴的摇摆；③如果材料表面是平的，则增加X轴和Y轴的摇摆。

3.3.3 齿根残余应力检测关键因素

(1) X射线光斑尺寸和形状。齿根位置位于齿面和齿底过渡处，为减小齿根表面形状(弯曲表面导致X射线散射)对残余应力测量精度的影响，需要采用较小尺寸的圆形或长方形光斑。如果要测量曲率半径为0.5 mm的齿根表面轴向的残余应力并达到5%的测量精度，必须使用0.2 mm或更小的光斑。由于小的光斑产生的衍射峰较弱，必须采用大功率应力仪。当照射宽度小于1/3齿根曲率半径时，可以忽略曲面衍射效应的不利影响[8]。

(2) X射线焦距大小。无损测量齿根残余应力时，受到两齿间距的约束，越靠近齿根越狭窄，越靠近齿顶越宽阔，因此X射线的焦距越大，越容易检测。

(3) 沿深度方向齿根残余应力的分布。除了测试齿根表面的残余应力外，沿深度方向齿根残余应力的分布需要配备相应的腐蚀剥层设备才能测量，同时需要修正去除材料后产生的应力松弛。

3.3.4 拟购设备售后服务及应用支持情况

在高校仪器设备的购置过程中，应注重优化产品与服务并行的采购评价体系，将仪器设备采购变为硬件和服务的综合产品[1]，从而更高效的利用仪器设备，更好的服务科研工作。某公司的探测器标配提供四年售后质保服务，其他公司探测器标配提供1年售后质保服务。

芬兰Stresstech公司、加拿大Proto公司和日本PulseTech公司在X射线应力仪领域均为国际知名公司，在国内多家高校企业均有用户，并在国内大中城市设有办事处，售后服务有保障。但通过对实际调研过程中与公司技术人员的交流，可以适当反应出国外公司的售后服务能力的差异，特别加拿大Proto公司的中国总代爱派克测试技术(上海)有限公司在提供设备销售服务的同时还能提供残余应力代测试服务，间接反映了公司的应用支持能力。

4 实地考察，试验验证

X射线应力分析仪属于技术含量较高、专业性较强的仪器设备，为了能够准确把握各厂商设备的技术性能和参数，避免出现拟采购设备性能指标与实际需求存在较大偏差的现象，可以通过组织有关专家进行论证会的形式讨论，必要时应进行现场实地考察[11-12]，甚至进行试验验证。

机械传动国家重点实验室组织相关人员赴长沙、湘潭、上海、重庆等地进行用户拜访、实地考察，并通过现场测量凸轮轴轴瓦应力、齿轮齿面齿根应力、钛合金标样应力，验证设备的实际性能。现场对不同工件不同部位的残余应力检测结果如表1所示。

5 安全环保隐患及应对措施

近年来，高校安全事故时有发生，实验室爆炸、有毒气体泄漏、惰性气体窒息、火灾等安全责任事故屡见不鲜，高校设备采购作是实验室设备安全管理的前端[13]。因此，在设备购置论证环节也要充分考虑辐射、生物、化学、激光、用电、用气、机械、通风、人身、仪器设备安全等安全环保隐患及应对措施。

表1 对不同工件不同部位的残余应力检测结果

X射线应力分析仪涉及到辐射安全范畴，购置时应随机配置辐射计量仪器，动态监控设备运行时的辐射剂量，充分保证实验人员人身安全。同时就X射线应力分析仪本身而言，应尽量随机配置实验室铅玻璃防护罩，进一步保证辐射安全防护。考虑到设备使用时的环评要求，购置时尽量选择由省部级环境保护局出具过豁免文件的仪器设备。

6 拟定设备主要功能及技术指标

技术指标主要是指设备的技术性能参数和招标方的使用要求，应根据教学和科研实际需求提出, 符合经济适用原则[14]。①技术指标描述应突出和明确关键技术指标，简明、清晰的技术指标有利于向供应商传递准确的需求信息，也有利于后期合同的签定和避免合同执行纠纷。②技术指标要明确量化, 尽量以定量比较取代定性比较，避免因人为的主观因素造成评价尺度的偏差[15-17]。

技术指标中还需要设置实质性星号条款，但是过多地设定不合理的甚至排他性的实质性星号条款没有必要，还容易导致废标、无效标，从而影响仪器设备的购置[18]。技术要求是否作为星号条款应根据实际情况酌情设置，设定星号条款时应保证符合全部星号条款的投标人至少满足法定的3家及以上。

通过购置论证，机械传动国家重点实验室对X射线应力分析仪购置在以下几方面设置了星号条款：测试材料、满足标准、成熟产品、测量精度、测量方法、最小准直器、三轴样品台、安全防护、配置情况、探测器保修年限。

7 结 语

加强大型仪器设备购置论证工作,能够提高大型实验仪器的使用效益,有效避免重复购置、配套不完善、选型不准确、使用条件不合理、运行维护经费不到位、无法开放共享等情况的发生。本文基于X射线应力分析仪的购置论证实例采购理由充分、选型准确具有前瞻性、调研过程详实、现场考察试验数据可信、充分考虑环保要求、技术指标设置合理，对其他高校购置X射线应力分析仪具有一定的参考价值。