预处理方式对工件表面残余应力的影响研究

薛 欢 孙清超

(1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.大连理工大学 辽宁 大连：116023)



预处理方式对工件表面残余应力的影响研究

薛 欢1孙清超2

(1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.大连理工大学 辽宁 大连：116023)

预处理方法对表面残余应力测试结果有着重要影响。采用不同目数的手工砂纸、机械布砂轮、机械砂轮、电解抛光等表面处理方式对同一材料表面不同区域进行了处理，利用X射线法测试了各区域残余应力。结果表明，打磨过的试样随着腐蚀深度的增加，表面残余应力由压应力不断向零逼近，并在达到250微米深度时变化幅度明显减小，转化为正应力，在达到300微米时，其残余应力接近原始残余应力值。各种预处理方式引入的表面附加应力差异较大。因此，针对表面残余应力测试，相对最为合理的预处理方式是45度交叉布砂轮打磨之后，再采用电解腐蚀去除加工应力层。

X射线；残余应力；表面预处理；加工应力层

材料被制成产品的过程中间，经常会对其表面进行加工，以达到尺寸、光洁度等相关工艺及产品要求。其中，最为常见的加工方式包括切削、研磨、抛光、喷丸等。这些加工方式会对材料表面的残余应力状态产生较大影响。在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下,一方面产品或工件会降低强度,使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷;另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，残余应力测量相关技术的研究，对于确保产品质量或工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义[1-2]。目前,焊接残余应力的测量方法可分为机械测量法和无损测量法两大类[1]。其中机械法中包含应力释放法和应力叠加法两种，比较典型的代表是小孔法和压痕法。无损测量法中包括X射线法、磁性法、超声法等，其中以X射线法最为精确，应用也最为广泛[3-5]。

研磨是表面加工工艺中应用最为广泛的一种，陈志斌等[6]结合疲劳裂纹扩展原理，分析了研磨引入的残余应力对材料表面的疲劳裂纹扩展速率的影响。试验结果表明，随着研磨时间的增加，工件表面残余压应力不断增加，而在5分钟之后该曲线趋于平缓。郑贺天等[7]对TC18航空钛合金表面进行不同时间的机械研磨处理，并利用X射线衍射技术对机械研磨处理前后试样表面的残余应力进行测定。试验结果表明机械研磨在钛合金试样表面产生了高幅值残余压应力，它能有效提高其疲劳强度。李晓宏等[8]通过对马氏体不锈钢试片热处理强化处理后，分别进行了磨削后研磨加工、喷丸处理，以探讨表层硬度、表层残余应力及表面粗糙度等因素对疲劳强度的影响。武俊等[9]研究了300M超高强度钢喷丸强化工艺中的打磨问题。

以上研究均针对机械加工手段，而测试方法均采用的是X射线法。X射线法只能测得材料表面几个微米深度范围的应力情况，对于表面光洁试样可以直接进行测试，然而很多工件表面存在氧化皮、污垢等干扰项，必须去除。文献中也有提及要用机械方法或电解抛光进行处理，但处理细节未进行对比分析，最佳处理方式也一直未统一。本文利用不同目数的手工砂纸、机械布砂轮、机械砂轮、电解抛光等表面处理方式对同一材料表面进行了处理，利用X射线法测试了表面残余应力，结果表明各处理方式引入的表面附加应力差异较大，并最终推荐了相对最优的X射线法试样表面预处理方式。

1 X射线法测试原理及设备

X射线衍射法检测残余应力的依据是根据弹性力学及X射线晶体学理论。对于理想的多晶体，在无应力的状态下，不同方位的同族晶面间距是相等的，而当受到一定的表面残余应力σ时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，从而使X射线衍射谱线发生位偏移，根据位偏移的大小可以计算出残余应力。采用X射线衍射法测量残余应力准确、可靠，特别当应力在小范围内急剧变化时最有效。此方法可测量出绝对残余应力，还分别测算出轴向、切向和径向上的残余应力，是确定材料残余应力及弯曲面和球面最常用的方法。X射线衍射法计算残余应力的基本公式：

(1)

式中：σ为表面残余应力，E为弹性模量；ν为泊松比；θ0为所选晶面在无应力情况下的衍射角；Ψ为试样表面法线与所选晶面法线的夹角；θ为样品表面法线与衍射晶面法线为Ψ时的衍射角。令

(2)

则σ=K·M，其中M为2θ随sin2Ψ变化的斜率，K为应力常数。

试验采用美国Proto公司iXRD X射线残余应力测试仪。采用MGR40P型旋转测角仪，可确认主应力方向和大小。Ψ角范围-56°～+56°,2θ范围110°～171°,摆动范围-8°～8°。另外其自动X,Y,Z轴配有高精度导轨，各有100毫米行程，被用以调整射线管头至被测点位。接收端配有两个PSSD光纤探测器，宽度为18.4度，各有512个通道。本试验中采用圆形φ2mm准直管。钢板桩为铁素体钢系，用CγKα辐射线，接收光阑采用钒箔滤波片，衍射晶面取(211)，此时应力常数K=-318MPa/(°)。

2 试样准备

选取4mm厚、边长为170mm的正方形汽车用钢板作为被测试样，将其分为1号～6号，6个区域，分别对应一种表面加工方式，具体处理方式见下文。每个区域内选取上下两个点作为目标测试点。采用电解腐蚀的方法，去除目标点位的氧化皮。

3 试验过程及结果分析

3.1 表面处理前原始应力状态

首先，对未做其它打磨处理的试样各区域目标点进行X射线法表面残余应力测试，试验结果如图1所示。残余应力均为拉应力，其纵向应力大小均在60-90MPa左右，横向应力在20-50MPa，分布较为均匀。

图1 1号～6号区域原始残余应力值

3.2 电解抛光深度的选择

对于试样表面进行去氧化皮处理之后，会产生较大的机械加工附加应力，这会对试验结果产生较大影响，因此必须对试样表面进行电解抛光以去除附加应力层。电解腐蚀的深度不能太浅，否则达不到去应力层的目的，同时也不能太深，否则不能反映材料真实的表面应力状态。

首先，建立腐蚀时间与腐蚀深度之间的关系。采用电解液“A”对材料分别腐蚀30s，60s，90s，120s，分别测试腐蚀深度。如图2所示，腐蚀深度与腐蚀时间基本呈线性关系，也就是说可以通过控制腐蚀时间来预测腐蚀深度。当然，对于不同材料腐蚀的速度会有一定区别，因此需要提前做好标定工作。对于本次试验中的材料，可以通过控制腐蚀装备中间定时装置来实现腐蚀深度的控制。

图2 腐蚀时间与腐蚀深度之间的关系

每电解腐蚀一层，测一次腐蚀深度并对原始材料进行一次X射线残余应力测试，一共测试5次，其应力随深度的变化情况如图3所示。随着腐蚀深度的加深，残余应力稍有减小，总体上减小的幅度在30MPa以内，基本可以判定为应力梯度很小。

图3 原始残余应力随深度的变化情况

对试样采取45度交叉布砂轮打磨。在被测点附近选取一点进行X射线残余应力测试。而后分别电解15s，30s，45s，60s，75s，90s，105s，120s。每电解腐蚀一层对材料测一次腐蚀深度，并进行一次X射线残余应力测试，其应力随深度的变化情况如图4所示。试样上由于表面机械打磨加工呈现较大压应力，为附加应力。从图4中可以发现，随着腐蚀深度的增加，应力由压应力不断向零逼近，并在达到250微米深度时变化幅度明显减小，转化为正应力，在达到300微米时，其残余应力接近原始残余应力值，说明附加应力层在300微米左右。

图4 表面加工处理后应力随深度的变化关系

3.2 表面处理后应力状态

然后对各区域以不同方式进行表面打磨，如表1所示。

表1 1号～6号区域对应表面加工方式

6种不同加工方式加工后，利用显微镜进行表面观察。各方式加工之后，表面形态如图5所示。可以清楚的发现，1号-3号手工打磨比4号-6号机械打磨加工痕迹小，观察面中部分表面杂质仍未去除，且砂纸越细，该现象越为明显。5号打磨痕迹最深且不均匀，1号-5号打磨方向均为纵向，而6号打磨痕迹为45度方向。

图5 不同加工方式区域微观表面形貌

采用X射线衍射仪对6种加工状态的试样进行残余应力测试，如图6所示，测试结果如表2所示。

图6 残余应力测试现场

打磨方式1号点纵向应力/MPa1号点横向应力/MPa2号点纵向应力/MPa2号点横向应力/MPa两点均值纵向应力/MPa两点均值横向应力/MPa1-186-318-210-272-198-2952-200-202-168-197-184-199.53-124-108-119-162-121.5-1354-258-201-200-358-229-279.5545312438297417.5110.56-342-244-243-210-292.5-227

图7 各种加工方式表面残余应力对比

各种加工方式导致材料表面残余应力剧烈变化，其对比情况见图7及表2。材料原有表面纵向应力在60-90MPa左右，横向应力在20-50MPa左右，分布较为均匀。沿纵向手工砂磨加工后，两个方向的应力都变成压应力，砂纸越粗带入的附加应力越大。而机械打磨比手工打磨反差更大，采用砂轮打磨后，由于打磨剧烈，表面产生了热影响，其纵向应力接近500MPa，这种情况在实际工程应用中是要极力避免的。而45度交叉打磨时纵向应力大于横向应力。结合图5与图7，既能有效去除表面杂质及氧化层，又能避免预处理过程中的热影响的是第6种处理方式，即利用布砂轮进行45度交叉打磨，之后再利用电解抛光工艺去除约300微米的应力附加层。当然，针对不同材料加工引入的应力附加层深度仍有区别，在试验前需进行标定试验。

4 结论

(1)表面打磨过的试样，随着腐蚀深度的增加，残余应力由压应力不断向零逼近，并在达到250微米深度时变化幅度明显减小，转化为正应力，在达到300微米时，其残余应力接近原始残余应力值。

(2)对比六种不同表面打磨预处理方法，发现相对最为合理的方式是45度交叉布砂轮打磨之后，再采用电解腐蚀去除加工应力层。针对不同材料需进行加工应力层深度标定试验。

[1] 何家文,李家宝.残余应力研究概况[J].国际学术动态,1998(2):75-76.

[2] 蒋刚,谭明华,王伟明,何闻.残余应力测量方法的研究现状[J].机床与液压,2007,35(6):213-220.

[3] A non Measuring casting residual stress with X-ray diffraction[J].Modern Casting,2005,95(2):48-49.

[4] Oquri Taizo, Murata Kazuo, Mizutani Katsumi, Ueqami Kenjiro. Application of X-ray stress measuring technique to curved surfaces Residual stress on spherical surfaces[J]. Materials Science Research International,2002,8(2):74-81.

[5] 中国国家标准：无损检测X射线应力测定方法[S].GB/T 7704-2008.

[6] 陈志斌,刘晓初,李文雄,李福生,萧金瑞,黄骏.轴承套圈强化研磨表面残余应力试验研究[J].机电工程技术,2013,42(12):76-78.

[7] 郑贺天,王茂廷.TC18航空钛合金机械研磨处理疲劳特性实验研究[J].机械制造,2014,52(594):16-18.

[8] 李晓宏.磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响[J].常州信息职业技术学院学报,2003,2(4):17-19.

[9] 武俊,陶华,夏哲,张家付.300M超高强度钢喷丸强化工艺中的打磨问题[J].机械强度,2008,30(3):498-502.

(责任编辑：李文英)

Pretreatment Influence on Surface Residual Stress of Work Piece

Xue Huan1Sun Qingchao2

(1.R&D Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;2.Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning)

The pretreatment methods have great influence on the surface residual stress data. Difference pretreatment methods include hand sanding, fabric machine sanding, grinding and electro-polishing are used on different parts of one specimen. The surface residual stress of different regions is tested by X-ray. The result shows that when polishing deepness increases, the residual stress of the fabric machine sanding parts infinitely approximates zero. The residual stress becomes positive and is close to the original value when polishing deepness researches 250μm and 300μm respectively. The additional surface stresses introduced by different pretreatment are discrepant. The comparatively appropriate pretreatment of surface residual stress test is to use crosswise fabric machine sanding with 45 degree, then remove the machining stress layer with electrolytic polishing.

X-Ray; residual stress; surface pretreatment; machining stress layer

2016-10-25

国家自然科学基金“表面残余损伤及内部损伤耦合作用下的可再制造评价”(51475077)资助

薛 欢(1981～)，男，博士，高级工程师.E-mail：stonemechanics@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0001-04