X 射线测量残余应力在汽车零部件行业中的应用

作者:天润工业技术股份有限公司 林栋 丛朝日 徐青云 林鹏飞 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2021-08-24
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为了实现对汽车零部件常见强化工艺的有效评估和监控,本文探讨采用 X 射线衍射法测 量强化后零件关键部位的残余应力。在此基础上,并采用电解抛光技术,探测和分析工件距表面一定深度的残余应力。

汽车零部件在加工过程中常采用表面感应淬 火、渗碳淬火、圆角滚压和喷丸等强化工艺。这些 工艺可获得较高的强度,并有效延长使用寿命。零 部件在这些机械加工及热处理过程中均会出现应力 状态的改变,从而影响零部件的工作性能。

随着用户对汽车性能、质量和可靠性的要求越 来越高,我们必须了解和掌握零部件残余应力的产 生机理、表征方法和分布规律,对产品设计和制造 工艺进行优化,从而减少或消除有害残余应力,增 加关键部位的有益残余应力,达到提质降本的效果。 

目前,测量残余应力的主要方法有钻孔法、环 芯法、X 射线衍射法、中子衍射法和超声波法等。 

其中,X 射线衍射法是目前应用最广泛的无损检测 残余应力的方法。这种方法主要依据为弹性力学理 论和 X 射线衍射理论。本文结合试验测试,论述了 X 射线衍射仪在曲轴、连杆和齿轮等汽车零部件生 产过程中的应用。


检测原理

一定的应力状态会引起材料 的晶格应变,这与宏观应变是一 致的。当材料中存在残余应力时, 晶面间距将发生变化,发生布拉 格衍射时,产生的衍射峰也将随 之移动,而且移动距离大小与应 力的大小相关,符合式 1 的布拉 格定律。X 射线衍射角度的几何关 系如图 1 所示。

2dsinθ=nλ (1) 式中:d——晶格间距; θ——X 射线入射线、反射线与晶面的夹角; n——自然数,(123,……); λ——X 射线波长。

依据布拉格定律 2dsinθ=nλ,用波长λ X 射线,先后数次以不同的入射角照射到试样上,测 出相应的衍射角 2θ,求出 2θ sin2Ψ 的斜率M便可算出应力σ。目前的 X 射线衍射法的测量方 式主要有同倾法和侧倾法,本文所用均为同倾法。 

如图 2 所示,应用场景多以曲轴、齿轮与凸轮轴最 为常见。 

检测工艺

1. 仪器参数

使用芬兰 STRESS3000 测量仪,采用直径为 75 mm 的测角仪,工作电压为 30 kV,工作电流9 mA。采用剥层法对工件表面 进行电解抛光腐蚀,用于测量工 件内部一定深度的残余应力分 布,设备为丹麦 Struers 公司的 MoviPol-5 电解抛光仪。

2. 检测条件的选择

X 射线测量残余应力的影响 深度仅有约 10 20 mm,测量 过程中应满足适当的使用条件: 

①工件表面应光滑平整,对于 曲轴,轴颈表面至少要经过精 磨,没有油污、锈斑、氧化皮等; 规定被测部位表面粗糙度Ra 10 mm

②测量时,确保测角 仪摆动时,不会触碰工件,以 免准直器、测角仪损伤;

③使用 合适的波长来减少 X 射线的穿 透,选择合适的衍射角或使用 较低的入射角;

X 射线测量的 残余应力值取决于照射面积大 小和位置。如果衍射面积较小, 可能会出现衍射晶体数量不足 等问题;

⑤弯曲表面会导致偏低 的残余应力值。 


主要应用及结果

1. 淬火曲轴磨削烧伤监控 

曲轴表面感应淬火技术是通 过固态相变,使得轴颈表面强度、 硬度升高的热处理工艺。硬度升 高后的轴颈在砂轮磨削的过程中 极易出现磨削烧伤。

使用 X 射线 衍射法可以无损地对轴颈表面进 行残余应力检测,从而达到有效 监控工件的磨削状态,取代传统 的有破坏性的酸洗法。 3 是烧伤、无烧伤曲轴轴 颈酸洗后的照片,图 3a 中轴颈 出现暗褐色区域为回火型烧伤; 3b 为无烧伤轴颈,表面为浅 灰色。图 4 是采用剥层法对烧伤、 无烧伤曲轴轴颈酸洗前的应力梯 度测量。通过比较可以看出烧伤 轴颈表面压应力出现较大幅度的 降低,轴颈表面以下 0.3 mm 内的压应力降低幅度较大,局部 已经出现残余拉应力。

2. 齿轮喷丸强化效果评价 

喷丸处理是利用高速喷射 出的丸粒,对工件表面进行撞 击,使之产生形变硬化层并增 大残余压应力,以改善零件表 面应力状态的工艺方法。目前, 汽车发动机曲轴、连杆及变速 器齿轮等均采用喷丸工艺来增 加表面对塑性变形和断裂的抵 抗能力,从而提高其疲劳强度 及使用寿命。某装备齿轮采用20Cr2Ni4A 钢,并经过渗碳处理 后表面硬度为 58HRC,渗碳层 1.5 mm。在国产 CNC 齿轮强 力喷丸机上强喷,丸粒平均粒径 0.6 mm,平均硬度 61HRC。强 喷后齿轮根部的残余应力影响深 度约 0.5 mm,表面残余应力值 -856 MPa,最大残余应力深 度出现在 0.05 mm 处,最大残余应力值为 -1 027 MPa,比未 喷丸齿轮残余压应力有较大幅度提高。经过此种喷丸处理后与未 喷丸齿轮对比如图 5 所示。

3. 曲轴拉瓦后应力检测

6 是曲轴主轴颈拉伤的 宏观照片及金相组织。从金相显 微镜下可以观察到拉伤轴颈表面 以下约 0.2 mm 处可见内部长约 0.26 mm 的裂纹。采用 X 射线衍 射法分别对拉伤轴颈与正常轴颈 进行残余应力梯度测量。拉瓦的 轴颈在 0.3 mm 以内均为较大的 拉应力,与正常轴颈存在明显差 异,差异量如图 7 所示。较大的 拉应力会导致材料开裂,这与金 相组织相吻合。

4. 弯曲连杆应力检测

8 是运输过程中包装箱 破损后出现的弯曲连杆,表面 存在压痕。为进一步鉴定其弯 曲的原因来自机械外力,而非 热应力的结果,采用 X 射线对 8 所示的连杆毛坯面固定点 1 3 进行表面应力测量。从表 中的数据看,弯曲连杆凸面的 压应力出现明显降低,尤其是 连杆加强筋处的凸向侧面 b 点;而凹面处压应力均略有增 大。因热应力的释放过程缓慢,各处应力相对均衡,不会出现 侧面较大幅度的波动,因此判 定为机械外力导致的弯曲。

结语 

目前 X 射线测量残余应力的 方法因其便捷与无损等优势,已 在汽车零部件,如曲轴、连杆、 齿轮、弹簧、凸轮轴、涡轮盘、 轴承钢圈及钢球等产品上得到广 泛应用。其应用场合主要体现在 生产过程监控和失效分析两方 面:

①生产过程监控。比如,监 控和指导表面感应淬火强化曲轴 的磨削工艺,采用电解抛光技术 可以深入研究淬火区域内部的应 力分布。针对滚压强化曲轴,通 过切割后进行圆角整周的应力测 量,建立滚压力残余应力对应关 系,据此对不同滚压力下圆角滚 压效果粗略评估。针对喷丸强化 的连杆、渗碳淬火齿轮、轴承钢 球、涡轮盘等均可以通过应力测 量对工件的关键部位进行强化效 果评估。

②失效分析。零件的失 效,比如烧伤、变形、开裂、拉 伤等方式,均可以通过残余应力 测量进行辅助分析与评判。

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