汽车残余应力测定北京华欧世纪光电技术有限公司

性能参数

产品名称: 汽车残余应力测定
产品型号: G3r
产品规格: 台
产品产地: 芬兰
品牌商标: X射线衍射
价    格: 1.00元
更新时间: 2017-9-20 11:05:46
浏览人数:86
诚信指数:7点
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使用范围:仅限科研使用,不能应用于临床
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北京华欧世纪光电技术有限公司
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产品详细描述

汽车零件在每一步加工过程中,都会不同程度地引入残余应力或改变应力状态。汽车零件关键部位的残余应力的大小和状态,直接影响该零件的服务寿命和工作性能的发挥。随着用户对汽车性能、质量和可靠性的要求越来越高,汽车及零部件制造企业必须准确地对汽车零件的残余应力进行表征、研究其产生机理、优化产品设计和制造工艺,从而减少或消除有害残余应力,在制造高质量零件的同时,降低生产成本。

  残余应力导致汽车零件早期失效的原因大概可以分为以下几个:
(1)应力集中和应力过载 - 零件工作载荷超过最大允许应力;
(2)应力腐蚀 - 在腐蚀环境下变形或产生裂纹;
(3)机械或热疲劳 - 在周期载荷下工作;
(4)不当的机加工 - 喷丸、磨削、铣削加工等;
(5)不当的热处理 - 应力释放、感应淬火、工作温度、热应变等。
01
原理
  残余应力是指由于零件材料在机加工和热处理过程中,造成内部不均匀塑性变形使材料内部存在并且保持平衡的弹性应力,也称内应力。晶体材料中拉伸和压缩残余应力的存在,将导致晶面间距d的增大和缩小。在特定的X光线照射下,晶面间距d的增大和缩小将导致材料的衍射峰位偏移,这些偏移可通过探测器检测出来。X射线衍射残余应力测定技术是根据布拉格方程和弹性力学理论,用X射线方法无损地检测出零件材料因残余应力存在导致的衍射峰位偏移,计算出晶面间距d的变化值和进而计算出残余应力值的一门专业技术


图1:X射线衍射残余应力测定示意图  
  对于是X射线波长λ整数倍的衍射晶面,其衍射角2θ可通过实验方法测得,晶面间距d值可通过布拉格方程计算得出。
  测定无应力状态(d0)和有应力状态(d)时的d值,

图2:X射线衍射几何示意图,通过布拉格定律计算晶面间距d值  
标准应力方程 - 根据弹性力学理论,在宏观各向同性晶体材料上角度Φ和ψ(见图2)方向的应变可以用如下方程表述:

图3:X射线衍射应力测定的正交坐标系 
  图3 X射线衍射应力测定的正交坐标系,图中:S1,S2样本表面坐标轴;S1由操作者定义;S3 垂直于样本表面的坐标轴;L1,L2,L3实验室坐标系统;L3 垂直于晶格衍射表面而且是入射光线和衍射光线的二等分线。
02
应用实例
2.1 曲轴
  在制造过程中通常采用抛光或辊轧曲轴以引入压应力,来抑制裂纹产生及扩展,延长曲轴使用寿命。因为加工时产生的应力梯度垂直于辊轧表面,因此通常用深度来表征辊轧加工的效果。由于制造商经常改变轴颈角位置的辊轧压力,需要在曲轴圆周不同角度上采集残余应力沿深度方向分布信息。


图4:不同辊轧压力下曲轴轴径沿深度方向应力分布 
为了区分辊轧压力和热处理等冷加工工艺引起的内应力,必须在产品加工的不同阶段,包括曲轴加工最后一道校直工艺,进行深度方向的残余应力测定。由于曲轴轴颈的形状和位置等限制条件,对曲轴上这些容易失效的关键位置等进行残余应力测定,X射线衍射法通常是唯一可行的方法。
  应力集中系数(SCF’s)用于工作中外加载荷的估算,估算方法有计算、建模或引证等。对于给定形状的曲轴部件,X射线衍射技术已被用来实验测定应力集中系数。试验结果(1.83±0.07)在误差范围内与理论值一致.

图5:试验测定的应力集中系数 
  主轴承和曲柄颈表面通常需要精密研磨来达到设计的尺寸精度和表面光洁度。研磨产生的残余拉应力对研磨加工后的轴颈的使用寿命有很大的影响,可通过X射线衍射法对其进行应力测定。研磨产生的最大拉应力通常位于研磨面的近表层。为了表征研磨产生的残余应力,通常需要在次表层沿深度方向进行应力分布测定。

图6:不同的研磨工艺的应力沿深度变化对比 
  测试曲轴颈周向应力时,通常在离轴心线最远处不需要切割曲轴即可测试。测试轴向应力时,有时需要在遮挡X射线入射线或衍射线位置进行切割。作为验证,可在测试方向上贴上小的应变片用于评估切除时的应力变化。
  在曲轴不同制造阶段测定次表面的应力,可用来评估每一步制造工艺对表面的影响。研究曲轴残余应力产生机理,可用于优化产品设计和制造工艺,在制造高质量零部件的同时,降低生产成本。
2.2 齿轮
  在机加工、滚齿、剃齿、珩磨、或热处理工艺后,齿轮表面及次表面的残余应力差别可能很大,必须对残余应力进行表征以评价加工工艺和这些工艺所产生的应力梯度及其影响。
  
图7:齿轮不同的喷丸工艺应力沿深度方向分布对比 
显示在不同喷丸强度下同一组齿轮次表面的应力梯度,未喷丸样品的表面压应力较低,已喷丸零件表面压应力较高,这些样品通常会通过进一步的疲劳试验来优化工艺。这些信息也可用来建立质量控制及质量保证基准。在加工工艺得到充分控制的情况下,表面应力值和次表面应力分布可用来评估喷丸效果。应力测定可以定期进行(每小时、日、周)。
  在不同波长和材料的情况下,X射线的穿透深度为10-30微米,所以X射线衍射法只能测定零件表面的残余应力

  测定轮齿节径上的次表面

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