XRD對噴丸齒輪的質量控制

　　噴丸處理的典型結果是一個容易識別的u形曲線。噴丸引起的殘余應力深度剖面有幾個共同特征，由于過度的冷加工和塑性變形，表面應力的壓應力總是小于作用在表面下面的材料上的應力。剖面在某個特定深度達到最大壓縮，然后增加直到穿過中性軸。這一點表示壓應力深度。這些特征(強度、深度、梯度等)的任何微小變化都可能對零件的壽命產生顯著影響。

　　噴丸強化工藝采用傳統(tǒng)方法建立和控制，采用阿爾門強度。阿爾門試片是在一側噴丸過程中發(fā)生變形的特殊金屬件。通過對噴丸高度變形或拱高的測量，得出了噴丸強度和覆蓋率的關系。這種方法被廣泛使用，并且可以使用特定的標準。但是，這種方法有幾個限制。阿爾門強度本質上是一種測量的是下部(或上部)的應力剖面曲線。

　　因此，等效的阿爾門強度可以從產生明顯不同的應力與深度剖面的兩種噴丸過程中得到：如圖3所示的兩種噴丸噴丸剖面。對于已將應力剖面特征確定為零件性能的關鍵測量指標的制造商，如表面應力、最大壓縮或最大壓縮深度，需要更有能力的檢測。XRD殘余應力深度剖面提供了必要的信息。

圖3 鋼構件中常見工藝的殘余應力深度剖面示例

　　例如，一個齒輪制造商可以通過確定他們的噴丸過程導致早期疲勞失效的幾個產品未發(fā)現(xiàn)的變化，設計他們的產品參數(shù)。通過隨后的審查和開發(fā)，他們確定了滿足幾種齒輪類型的預期零件壽命周期所需的壓縮殘余應力-深度剖面的具體要求。這些極限和公差是通過建模、XRD驗證和疲勞測試確定的。

圖4噴丸引起的殘余應力深度剖面特征。

　　接下來，他們實施了XRD殘余應力檢查，以驗證這些新建立的標準在制造過程中是否符合。下面的步驟和圖5解釋了集成的檢查過程。

　　1. 對樣本的深度和測量制定標準

　　2. 對齊樣品和參考深度計

　　3. 在暴露的齒輪表面測量徑向(齒根到齒頂)應力

　　4. 用電化學方法去除材料到D₁的深度，

　　5. 測量徑向應力

　　6. 用電化學方法去除材料到D₂的深度。

　　7. 測量徑向應力

　　8. 打印報告，顯示通過/失敗的決定，繼續(xù)進行。

圖5

　　其中D_1,2為測得的每一種齒輪的具體深度，為在各具體深度深度徑向測量的殘余應力。在這種情況下，每個測量深度的公差為±0.005 mm。使用預先編程的電解拋光參數(shù)(時間、流量、電壓等)相對輕松地滿足了這種精度，這些參數(shù)是為每種齒輪類型和所需的深度定制的。深度公差提供了對必要的控制水平的實施/執(zhí)行。

圖6 商業(yè)離線XRD檢測站

　　檢查是使用一個定制的解決方案完成的，如圖6所示，結合了安全外殼樣品，和集成的電子拋光站。每個噴丸批次測試一個零件，過程的持續(xù)時間(上面的步驟1-8)大約需要40分鐘，根據(jù)被測試齒輪的尺寸，切片時間為10分鐘以上。被測試的齒輪的部分被分割，幾何形狀和尺寸要求，以適當?shù)倪M入和衍射X射線。部分特定的測量程序(傾斜角度，曝光時間等)，并對電解拋光參數(shù)進行了預編程，使第3-8步接近10個小時。同時結合直接的通過/不通過驗收限制，允許非技術操作人員進行測量，而不需要分析衍射模式或評估所測殘余應力深度剖面的特征。

　　通過這種特殊的應用，強調了XRD在建立和控制殘余應力的能力。此外，它說明了技術的演變，從以前的時間和技能密集型技術，現(xiàn)在可以利用一個的高精度質量控制與合理的低投入的時間，成本和努力制造環(huán)境。

　　附加應用

　　雖然XRD很適合表征普通鋼中的應力，但它可以用于精確測量幾乎任何晶體材料的近表面應力。應用場所是巨大的，并且在復雜性和廣度上不斷增加。在增材制造(AM)這一越來越受歡迎的行業(yè)中，有必要解釋一下，XRD能夠測量大多數(shù)金屬添加劑組分的殘余應力，就像測量大多數(shù)傳統(tǒng)制造的金屬零件一樣。這包括定向能沉積和粉末聚變等過程。

　　在這些情況下，與大多數(shù)AM過程一樣，每個零件都是通過逐層熔融建立起來的。由此產生的循環(huán)熱載荷和溫度梯度可以導致相對高的殘余應力。這是常見的，這些應力導致翹曲，裂縫或分離。結果，特別是隨著越來越多的結構性AM部件被用于航空航天、自動機械和醫(yī)療器械行業(yè)，對AM中殘余應力形成的全面認識已經非常重要。

　　影響AM零件殘余應力的因素很多，這是一個非?；钴S的研究領域。在某些應用中，不利應力可通過工藝后熱處理和/或表面處理(如噴丸)來補救。一些人正在研究現(xiàn)場控制，而另一些人則通過建模來尋找優(yōu)化構建參數(shù)。

　　無論如何，驗證是必要的，在AM部件中測量殘余應力最廣泛使用的技術是X射線和中子衍射，后者可用于三維殘余應力的體積分析;然而，這種方法受到所需的儀器設備(即核反應堆)的嚴重限制。而x射線衍射能力稍弱通過商業(yè)設備供應商或認可的服務測量供應商，可以隨時獲得儀器和測量服務。

　　下面提供了一個，XRD殘余應力測量的AM模型驗證簡單的例子。匹茲堡大學的研究人員旨在開發(fā)一種替代方法來確定已制造的鉻鎳鐵合金718樣品的J因子，作為標準測試方法，由于各種原因，并不實際適用于通過激光粉末熔合制造的零件。

圖7

　　他們修正的方法需要創(chuàng)建一個殘余應力模擬和隨后的實驗驗證的模型。樣品使用特定的參數(shù)，總共選擇了17個位置進行XRD殘余應力測量,這些測量包括表面應力和應力深度剖面。

　　圖5a顯示了指定的位置，圖5b顯示了測量過程中的樣品。表一給出了預測和實測的主應力。在這種情況下，結果令人滿意的，并提供了必要的證據(jù)繼續(xù)他們的模擬方法來確定附加部分的斷裂特征。

　　總結

　　殘余應力在現(xiàn)代制造業(yè)中起著至關重要的作用。精心設計的表面應力剖面可以在不同的部件中產生顯著的性能優(yōu)勢。另外，不可知的有害殘余應力可能導致負載能力下降，部件壽命降低和災難性故障。XRD是一種準確可靠的殘余應力測量方法，無論是驗證數(shù)值模擬還是驗證在線生產過程，XRD殘余應力測量都是必不可少的。技術的進步和商業(yè)上可用的硬件，以及公認的測量服務供應商，使得XRD無論在什么應用場合都可以使用和負擔得起。