分享：再制造工件表面的殘余應(yīng)力分布

摘 要:通過(guò)電鍍和焊接兩種方式模擬了工件的再制造過(guò)程,研究了電鍍處理后工件表面殘余 應(yīng)力的變化規(guī)律,同時(shí)研究了采用 X射線衍射法和壓痕應(yīng)變法對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的 差異.結(jié)果表明:隨著鍍鉻層厚度的增加,鍍層殘余應(yīng)力先增大后減小,后又增大;采用 X 射線衍 射法和壓痕應(yīng)變法測(cè)試得到的焊縫兩側(cè)的殘余應(yīng)力變化總體趨勢(shì)是一致的,但由于測(cè)試原理的不 同,在不同部位兩種方法的測(cè)試結(jié)果存在不同大小的偏差,且該差異呈現(xiàn)隨機(jī)性. 

關(guān)鍵詞:再制造;電鍍;焊接;殘余應(yīng)力;X射線衍射法;壓痕應(yīng)變法 

中圖分類號(hào):TG１７８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８８７Ｇ０４

再制造亦稱綠色再制造技術(shù),是先進(jìn)制造技術(shù) 的一個(gè)重要組成部分和發(fā)展方向,被譽(yù)為２１世紀(jì)極 具潛力的新型產(chǎn)業(yè),再制造是統(tǒng)籌考慮全生命周期 的系統(tǒng)工程.再制造針對(duì)損壞或?qū)?bào)廢的零部件, 在性能失效分析、壽命評(píng)估等分析的基礎(chǔ)上,采用先 進(jìn)的成型技術(shù)進(jìn)行再制造工程設(shè)計(jì)、修復(fù)和改造,使 經(jīng)過(guò)修復(fù)處理的再制造產(chǎn)品的性能和質(zhì)量達(dá)到甚至 超過(guò)原零部件的水平.再制造技術(shù)充分挖掘制造業(yè) 產(chǎn)品的可利用價(jià)值,讓能源和資源接近“零浪費(fèi)”,并 能為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值[１Ｇ３].再制造加工技術(shù)門 類十分廣泛,總體上可分為３類:加法再制造、減法 再制造和替換法再制造.其中鍍鉻作為加法再制造 修復(fù)的一種重要手段,不僅修復(fù)了再制造產(chǎn)品的尺 寸,而且鍍鉻層具有硬度高、耐磨、耐腐蝕、耐硫化 物、耐有機(jī)酸、順磁、不易變色、長(zhǎng)期保持光澤等特 點(diǎn)[４].但鍍鉻層如存在殘余應(yīng)力,對(duì)鍍層的性能如 孔隙率和疲勞強(qiáng)度等會(huì)有很大的影響[５].殘余應(yīng)力 是在沒(méi)有外力或外力矩作用的條件下,構(gòu)件或材料內(nèi)部存在并且自身保持平衡的宏觀應(yīng)力[６].殘余應(yīng) 力的測(cè)定,對(duì)于確保工件的安全性和可靠性有著非 常重要的意義[７].目前殘余應(yīng)力的測(cè)定方法很多, 主要有鉆孔法、X射線衍射法、磁性法、超聲法、壓痕 法等[８].鑒于這些方法的應(yīng)用都有一定的局限性, 殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)至今仍是一個(gè)有待深入研究的課 題[９].筆者所在實(shí)驗(yàn)室在該檢測(cè)領(lǐng)域目前配有 X 射線衍射儀和壓痕應(yīng)力儀兩種殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備. 其中:X射線衍射法是根據(jù)材料或制品晶面間距的 變化測(cè)定應(yīng)力的,它是表面殘余應(yīng)力測(cè)定技術(shù)中為 數(shù)不多的無(wú)損檢測(cè)方法之一,至今仍是研究得最廣 泛、深入、成熟的內(nèi)應(yīng)力測(cè)定方法[１０];壓痕應(yīng)變法是 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題,具有無(wú)損、便捷、精 度高等 特 點(diǎn),特 別 適 用 于 在 現(xiàn) 場(chǎng) 對(duì) 原 板 進(jìn) 行 測(cè) 試[１１].筆者分別采用這兩種方法對(duì)４５鋼再制造零 件進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試,并對(duì)兩種方法的測(cè)試結(jié)果 進(jìn)行了對(duì)比,通過(guò)對(duì)比了解了這兩種殘余應(yīng)力測(cè)定 方法在測(cè)試再制造零件時(shí)的差異和關(guān)聯(lián),為日后檢 測(cè)方法的選擇提供技術(shù)依據(jù). 

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法 

１．１ 試樣制備 

試驗(yàn)材料為再制造工件常用材料４５鋼,分成兩 組,分別進(jìn)行電鍍鉻處理和焊接處理來(lái)模擬常用的再 制造工藝.其中電鍍鉻處理的電解液成分如表１所 示,電鍍工藝參數(shù)如表２所示,電鍍時(shí)間為１~４．５h.

１．２ 殘余應(yīng)力試測(cè) 

采用 X射線應(yīng)力儀對(duì)電鍍鉻層的殘余應(yīng)力進(jìn) 行測(cè)試,分析研究不同電鍍時(shí)間后鍍鉻層的殘余應(yīng) 力分布情況.分別采用 X 射線衍射法和壓痕應(yīng)變 法對(duì)焊接后的鋼材進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試,分析兩者的 關(guān)聯(lián)以及差異. 

１．２．１ X射線衍射法 

檢測(cè)設(shè)備型號(hào)為 XＧ３５０A.基本檢測(cè)步驟為對(duì)試樣測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行表面處理,去除污物,調(diào)試設(shè)備,將 試樣放入儀器中,置于測(cè)角儀回轉(zhuǎn)中心上,關(guān)閉防護(hù) 柜橫拉門,設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)如表３所示,開(kāi)始測(cè)試.

１．２．２ 壓痕應(yīng)變法

檢測(cè)設(shè)備型號(hào)為 KJSＧ３P.基本檢測(cè)步驟為對(duì) 試樣測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行粗磨、拋光,貼上 BA１２０Ｇ１BA(１１)Ｇ ZKY 型應(yīng)變片,切斷應(yīng)變片基片與壓痕打擊點(diǎn)處的 聯(lián)系,連接應(yīng)變片與應(yīng)變儀,設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)如表４所 示,對(duì)中打擊位置,打擊壓痕. 

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論 

２．１ 電鍍時(shí)間對(duì)鍍鉻層殘余應(yīng)力的影響 

殘余應(yīng)力是影響鍍層性能的重要因素,其測(cè)試 方法有很多種,目前基片變形法和 X 射線衍射法在 國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛,其中基片變形法測(cè)量應(yīng)變時(shí) 人為誤差較大,故試驗(yàn)選用 X 射線衍射法測(cè)定鍍鉻 層的殘余應(yīng)力.結(jié)果表明,不同厚度鍍鉻層的殘余 應(yīng)力有明顯差異,如圖１所示.從圖１可以看出,電 鍍鉻層的殘余應(yīng)力都大于零,表現(xiàn)為拉應(yīng)力,且隨著 鍍鉻層厚度的增加,殘余應(yīng)力的變化呈現(xiàn)忽大忽小 的變化趨勢(shì).

對(duì)其原因進(jìn)行分析,該變化趨勢(shì)是鍍鉻層的不 斷累積 和 開(kāi) 裂 過(guò) 程 造 成 的. 根 據(jù) 氫 化 物 分 解 理論[１２Ｇ１６],在電鍍鉻過(guò)程中,由于電流效率低使得副 反應(yīng)產(chǎn)生大量氫,其中一部分氫進(jìn)入鍍鉻層中.在 鉻沉積初期,氫與金屬鍍層總是以六方晶格的鉻氫 化物(Cr２H 到 CrH２)為主.該結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的,當(dāng) 晶粒長(zhǎng)大到某一臨界尺寸時(shí),該鉻氫化物容易分解 成更穩(wěn)定的體心立方晶格,并釋放出游離氫(常溫時(shí) 即可分解),在該相變過(guò)程中體積大約收縮１５％以 上;另一方面,鉻氫化物分解后,氫的擴(kuò)散逸出也會(huì) 導(dǎo)致鍍層體積減小而收縮.在這兩方面共同作用 下,鍍鉻層內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力.隨著晶粒的長(zhǎng)大, 晶格扭曲變形越來(lái)越嚴(yán)重,鍍層的殘余應(yīng)力也隨之 增大,當(dāng)鍍層的殘余應(yīng)力達(dá)到臨界點(diǎn),大于鍍層的抗 拉強(qiáng)度時(shí),鍍層發(fā)生開(kāi)裂,形成微裂紋,部分殘余應(yīng) 力得以釋放.隨著電鍍時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),殘余應(yīng)力 的減小趨于穩(wěn)定,隨后又會(huì)循環(huán)之前的過(guò)程.

由此看來(lái),經(jīng)過(guò)電鍍?cè)僦圃焯幚砗?工件表層多 少都會(huì)存在一定的殘余拉應(yīng)力,具有一定的危害性, 在使用中會(huì)存在一定的隱患,建議進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜?yīng) 力處理. 

２．２ X 射線衍射法與壓痕法測(cè)定表面殘余應(yīng)力的 差異分析 

焊接處理后的鋼板如圖２所示,從垂直于鋼板 焊縫方向分別選?。穫€(gè)測(cè)試點(diǎn),貫穿母材、熱影響區(qū) 和焊縫,其中１,２,６,７四點(diǎn)處于母材位置,３和５兩 點(diǎn)處于熱影響區(qū),點(diǎn)４則正好處于焊縫中心位置. 分別采用 X 射線衍射法和壓痕應(yīng)變法對(duì)這７個(gè)點(diǎn) 進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試.

從圖３可以看出,不管采用哪種測(cè)試方法,都能 發(fā)現(xiàn)在垂直于焊縫的方向上,殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì) 呈現(xiàn)拋物線形狀,即母材上的殘余應(yīng)力基本保持在 零點(diǎn)左右波動(dòng),到達(dá)熱影響區(qū)后殘余應(yīng)力逐漸增大 為拉應(yīng)力,再往里在焊縫中心處,殘余應(yīng)力快速增加 至１８３．９MPa,與傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)相一致.

另一方面,對(duì)比兩種測(cè)試方法,不難發(fā)現(xiàn)盡管測(cè) 得的殘余應(yīng)力具有相同的變化趨勢(shì),但是從每一個(gè) 殘余應(yīng)力數(shù)值上來(lái)看,兩者之間的差異較大,最大的 差異甚至達(dá)到了１３１ MPa.對(duì)原因進(jìn)行分析,主要 是因?yàn)閮煞N方法的測(cè)試原理有所不同.X射線衍射 法測(cè)定殘余應(yīng)力的依據(jù)是根據(jù)彈性力學(xué)及 X 射線 晶體學(xué)理論.對(duì)于理想的多晶體,在無(wú)應(yīng)力的狀態(tài) 下,不同方位的同族晶面間距是相等的,而當(dāng)受到一 定的表面殘余應(yīng)力σ 時(shí),不同晶粒的同族晶面間距 隨晶面方位及應(yīng)力的大小而發(fā)生有規(guī)律的變化,從 而使 X射線衍射譜線發(fā)生位偏移,根據(jù)位偏移的大 小可以計(jì)算出殘余應(yīng)力.壓痕法測(cè)定殘余應(yīng)力是通 過(guò)制造壓痕產(chǎn)生一個(gè)額外的應(yīng)力場(chǎng),與原有應(yīng)力場(chǎng) 互相作用使壓痕周圍的應(yīng)力值發(fā)生改變,差值即為 應(yīng)變?cè)隽?應(yīng)變?cè)隽颗c殘余應(yīng)變之間存在一定的數(shù) 學(xué)關(guān)系,根據(jù)該關(guān)系即可計(jì)算出殘余應(yīng)力.由此可 見(jiàn),X射線衍射法是基于微觀結(jié)構(gòu)變化的測(cè)試方法, 所測(cè)試的區(qū)域也是微區(qū),往往都是微米級(jí)的區(qū)域,測(cè) 試深度也比較淺,測(cè)得的是淺表層的殘余應(yīng)力;相對(duì) 而言,壓痕法的測(cè)試原理則比較宏觀,無(wú)論是從測(cè)試 面積還是深度上都要比 X 射線衍射法來(lái)的大.對(duì) 于完全均勻的材料,從理論上說(shuō)兩種方法的測(cè)試結(jié) 果是一致的,但實(shí)際的工件不可能是均勻的,而且殘 余應(yīng)力與宏觀應(yīng)力不同,是一個(gè)變化起伏較大的量, 在材料內(nèi)部同樣不可能均勻存在,因此導(dǎo)致最終兩 者的測(cè)試結(jié)果存在較大差異.當(dāng)然兩種測(cè)試方法也 各自有著很多影響準(zhǔn)確測(cè)試的因素,同樣會(huì)造成測(cè) 試結(jié)果的差異. 

３ 結(jié)論

(１)電鍍鉻層的殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力,且 隨著電鍍時(shí)間的延長(zhǎng),鍍層的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)先增大 后減小,后又增大的變化趨勢(shì).

(２)采用 X 射線衍射法和壓痕應(yīng)變法進(jìn)行殘余 應(yīng)力測(cè)試得出的４５鋼焊縫區(qū)殘余應(yīng)力變體總體趨 勢(shì)是一致的,但由于測(cè)試原理的不同,在不同部位測(cè) 得的殘余應(yīng)力存在不同大小的偏差,且該差異呈現(xiàn) 隨機(jī)性. 

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