簡介

　　對齒輪(和許多其他部件)耐久性和性能的要求越來越高。設(shè)計師的任務(wù)是提高性能，疲勞強度和壽命的同時，盡量減少重量和成本。目前所采用的主要方法包括幾何形狀的優(yōu)化、熱處理工藝優(yōu)化、以及齒面修正，等等。齒輪修形的研究和發(fā)展在很大程度上是由復雜的建模和分析軟件的幫助的。但是，同樣需要有效的開發(fā)需要驗證的技術(shù)和測試，從而產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)和定量的結(jié)果反饋。制造這些越來越復雜的幾何圖形和越來越嚴格的公差要求的齒輪，檢查和控制技術(shù)方法也有了相應(yīng)的進步。本文重點介紹了X射線衍射(XRD)技術(shù)，特別是利用XRD對兩種工藝進行殘余應(yīng)力測量的研究進展。

　　殘余應(yīng)力及其重要性

　　雖然術(shù)語“殘余應(yīng)力”是一般理解和眾所周知的，對它進行詳細理解，還是可以幫助重新定義和重申殘余應(yīng)力在現(xiàn)代齒輪設(shè)計和制造的重要作用。殘余應(yīng)力是在消除所有外部載荷后，在材料體積內(nèi)的應(yīng)力。它們作為不相容的局部應(yīng)變的彈性響應(yīng)而發(fā)展。例如，在噴丸過程中，表層是塑性變形的，因此看起來會膨脹。下面的材料限制了這種膨脹(局部應(yīng)變)，從而保持了表面和貼近表面的一部分深度內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力。這些相對較淺，有時高量級的壓縮應(yīng)力被作用在材料內(nèi)部體積上的拉應(yīng)力平衡創(chuàng)建的公共機制。殘余應(yīng)力和一些典型的制造過程和與這些機制相關(guān)的過程包括：

　　不均勻塑性變形——鍛造、彎曲、軋制和使用表面變形;

　　表面改性——加工、磨削、噴丸、腐蝕或氧化;

　　材料階段和/或密度的變化——通常是焊接、熱處理/淬火和機械加工或使用過程中的摩擦加熱造成的巨大熱梯度的結(jié)果。

　　殘余應(yīng)力的重要性不亞于應(yīng)用應(yīng)力。在實踐中，“總應(yīng)力”是殘余應(yīng)力和應(yīng)用應(yīng)力的總和。在總應(yīng)力方程中，殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力的權(quán)重相等。例如，在噴丸加工的齒輪齒，近表面的壓殘余應(yīng)力抵消了輪齒彎曲過程中齒面遇到的大的拉伸載荷，從而有效地減少凈影響或“總應(yīng)力”。在實際中，殘余應(yīng)力對性能的影響更為微妙，需要對殘余應(yīng)力進行徹底的確定和控制。

　　X射線衍射殘余應(yīng)力測量方法

　　有幾種方法可以提供近齒面殘余應(yīng)力信息。XRD是一種在噴丸和其他類似的表面處理過程中準確、實用的近表面殘余應(yīng)力定量分析方法。與其他可用的機械、超聲波或磁性方法相比，XRD還具有許多優(yōu)勢。此外，該技術(shù)的工業(yè)標準已由EN、ASTM和SAE公布，進一步建立了表面和近表面應(yīng)力表征的方法。

　　X射線衍射，顧名思義，需要利用稱為X射線的電磁輻射。X射線比可見光能量高，但波長短。因此，它們可以用來探測大多數(shù)晶體材料的原子間距離，通常在給定材料的表面穿透1 - 10微米。殘余應(yīng)力測量中使用的X射線通常被稱為“軟X射線”，因為它們的能量比醫(yī)學成像中常用的“硬”X射線要低。為了最大的商業(yè)利益，目前的XRD設(shè)備，x射線功率低，安全工作距離短(6-10英尺)。然而，安全預防和聯(lián)鎖系統(tǒng)是必須具備的。

　　根據(jù)布拉格定律，X射線以等于2的角度從材料的晶體晶格衍射出來。如圖1a所示，為入射X射線的波長，為衍射角，d為晶格間距。因此，如果波長是已知的，衍射角可以被準確的測量，可以很容易地計算晶格間距。

圖1 a)布拉格定律所描述的x射線衍射說明;

b)壓縮、拉伸和中性應(yīng)力狀態(tài)

　　通過在測量體中假設(shè)平面應(yīng)力狀態(tài)，可將垂直于表面方向的晶格間距d用作非應(yīng)變參考。這樣就不需要無壓力的參考樣品，然后記錄下不同的非法線角度，通常稱為或傾斜角，如圖2所示。將測量到的衍射角與每個角記錄的晶格間距變化(d)進行比較，得到d與衍射角的線性分布，如圖1b所示。這個信息，結(jié)合適當?shù)牟牧蠀?shù)(模量和泊松比)，產(chǎn)生平行于平面方向的應(yīng)力。任何平面內(nèi)的應(yīng)力方向都可以通過簡單地旋轉(zhuǎn)樣品或衍射測儀頭來測量。值得注意的是，通過測量紅外三個獨立的方向(在一個單一的位置)，可以確定平面主應(yīng)力。

　　在許多情況下，僅僅測量表面殘余應(yīng)力是不夠的。例如，如圖3所示，一個濫用的磨削零件可能在表面上有殘余壓應(yīng)力。正是磨削拉應(yīng)力的存在導致了早期的破壞，這種應(yīng)力與深度的信息可以通過增量層移除和隨后的操作來獲得每個新的自由表面的XRD測量。這一過程通常稱為X射線衍射殘余應(yīng)力深度剖面。去除層通常是通過局部電解來實現(xiàn)的，以避免引入新的應(yīng)力或引起試樣中其他地方應(yīng)力的明顯重分布。不過，必要時也有修正。

　　通常，X射線衍射深度剖面被限制在大約1毫米的最終深度，但在適當?shù)那闆r下，可以測量到更大的深度。對于許多制造過程，如圖2所示，1mm遠遠超過了完全殘余應(yīng)力所需的深度。

圖2 在兩個不同的psi角度和相關(guān)的測量方向進行衍射儀頭部測量