[发明专利]一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法

说明书

本发明提供了一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法，其中装置包括：加载手柄，底座，加载手柄固定端，加载丝杠，力传感器，试验件夹持移动端，滑轨，试验件，试验件夹持固定端，XRD残余应力测试装置和力传感器显示端。本发明针对XRD测试技术，提出一种残余应力测量参数标定装置和方法，使用大量级高精度的拉伸/压缩应力传感器，提高XRD残余应力测量参数精度，从而提高零部件残余应力测试准确性。

技术领域

本发明涉及残余应力测试技术领域，特别是涉及一种XRD残余应力测量参数标定装置和方法。

背景技术

零部件的使用安全与材料性能、使用环境、受载情况等多种因素密切相关，受载导致零部件内部产生应力，根据时间相关性将应力细分为时变应力和静态应力，其中静态应力产生途径可分析静态外载荷、残余应力等，后者的产生因素较多，如表面强化、热处理等。残余应力分为拉伸、压缩两种状态，一般认为拉伸残余应力对结构使役安全有不利影响而压缩残余应力则能够提高结构的使役安全性能，近年来，随着结构轻量化发展趋势和制造过程复杂程度的增加，制造过程中引起的残余应力也日渐显著，由此产生的不合理残余应力所导致的结构失效逐步增加，残余应力已成为制造、使用环节关注的重点问题之一。

评价残余应力的途径分为有损测试方法和无损测试方法两个大类，后者应用更为广泛，其中基于X射线衍射原理（XRD）的残余应力测试方法是应用最为普遍的残余应力测试技术，采用相似原理进行测量的方法还有高能射线残余应力测试技术，如高能XRD残余应力测试方法、中子衍射、同步辐射等。上述这些基于射线的测试技术原理如下，即将金属材料的基本构成——原子及其排布作为标尺，利用电磁波的衍射原理测量受载后原子之间的距离，将之与受载前原子之间距离进行对比，通过原子间间距的变化以及间距变化与应力之间的关系计算宏观残余应力。

XRD等残余应力测试方法中有两个关键参数，直接影响残余应力测试数据的准确性：无应力状态下被测材料的原子间距；原子间距变化量与宏观应力之间的关系，材料力学/结构力学称之为弹性模量，XRD测试中称之为弹性常数。在工程应用中，XRD测试方法面临着许多挑战，如：随着制造技术的进步，被测材料在显微组织上呈现出微观不连续性，被测材料往往由多个相组成，XRD测试过程中通常只对一个相中的原子间距进行测量，这个相的应力-变形规律与宏观的弹性模量之间通常存在差异，宏观数据如基于标准试验件获得的应力-应变难以用于提取该参数；某些合金材料在工程应用中，常常在主要组分不变的情况下对微量组元的含量进行微调，已达到特殊的用途，这种情况下，材料的弹性常数将发生改变，难以从手册获得已有文献中获得数据；某些情况下，结构中存在的残余应力水平较高，甚至接近材料的屈服极限。

由于结构残余应力对零部件强度具有显著影响，而残余应力测试过程中存在诸多影响因素，需要一种精确确定结构残余应力测量参数的方法，目前常用的修正方法如下：

第一，以四点弯曲法为代表的标定方法：这一类XRD测量参数标定方法采用相同材料的薄片为试验对象，在薄片的一个表面安装应变片，在试验件上施加纯弯曲载荷，通过应变片采集应变信号，通过应力-应变本构关系计算得到加载应力水平，同时，采用XRD方法测试另一侧表面应力数据，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。

第二，以等强梁为代表标定方法通过设计外接近梯形的板状试验件，试验件通过悬臂夹持，在试验件自由端施加集中载荷，通过数学计算获得表面的应力，同时，通过XRD方法测试应力，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。

第三，采用薄板状试验件的标定方法，对板状试验件施加载荷，在试验件自由端施加集中载荷，通过数学计算获得表面的应力，同时，通过XRD方法测试应力，通过将两类信号线性拟合，修正XRD测试装置中的参数。

当前常用的残余应力方法为X光衍射方法，针对上述列举的问题，常采用四点弯曲法；等强梁法标定测量参数，标定过程中通过将特定装置输出的载荷数据和XRD装置测试结果进行对比，通过线性回归等方法修正测量参数，这些测试方法存在主要不足：