铍材X射线残余应力无损测定原理和方法

【摘要】： 铍属稀有轻金属，因其具有低密度、高比强度和比热容以及良好的导热性等优点，而被广泛应用于核能、航空和航天工业。铍作为结构材料，在其加工制造过程中，都会不同程度的在其内部引入残余应力，在很多情况下，这些残余应力均对铍及其制品的使用带来不良的影响。由于铍及其制品的应用领域相对特殊，与广泛使用的结构材料——钢铁相比，其残余应力的无损测定十分困难，有关这一方面的报导并不多见。X射线衍射法测残余应力是一种成熟的技术，但由于铍属轻元素材料，对X射线的吸收较小，所以X射线的穿透深度较大，而现有大多数X射线应力仪均是针对钢铁等重元素材料设计的。因此，如何利用现有仪器，通过改变测定技术和计算方法，使其适合于铍材残余应力的无损测定就具有十分重要的意义。 论文系统分析了现有X射线残余应力测定方法，针对这些方法和美国ASTX2001X射线应力分析仪在测定铍焊件和热等静压件残余应力时存在的问题，基于X射线在铍材中的强穿透能力，首次提出了适合铍材三维残余应力测定的X射线层析扫描法，能够无损测定铍材的三维残余应力及深度分布，同时还可以计算出被测材料的无应力晶面间距d_0，计算结果由相关系数R、泊松比ν和误差分析三个机制约束，可靠性强；首次提出X射线残余应力测定的积分变换法，根据线弹性理论的平衡条件和表面边界条件，推导得出残余应力分量随深度变化的模型方程，仅用一种特征X射线就能够确定铍材的三维残余应力及深度分布，较之多波长法有较大的进步，可避免因换靶而造成的测定点位置的不唯一性，提高了测试精度；设计出适合铍及其制品残余应力测定的X射线层析扫描测量系统，由X射线多旋转变量控制系统控制能够提供四个运动自由度、可安装被测工件的测量台运动，并采用在ASTX2001X射线应力分析仪上加装锥度限位狭缝的方法，可以有效地限制进入X射线应力仪探测器的非测试点的衍射信息，使每次测试的点被控制在约0.4mm的范围内，籍助于X射线层析扫描测定法，实现对工件进行残余应力的逐点、逐面和逐层的层析扫描，延伸了ASTX2001X射线应力分析仪的应用范围，使该应力仪不仅能够测定钢铁等重元素材料的残余应力，而且也可以在加装了锥度限位狭缝后用于无损测定铍材等轻元素材料的残余应力。 论文还就X射线残余应力层析扫描法和X射线残余应力测定的积分变换法编制出相应的计算机程序，用铍焊件的实验数据对X射线残余应力层析扫描测定方法进行了验证，结果表明，铍的泊松比ν接近已知的0.022，计算出的无应力(103)晶面的面间距d_0与根据晶体学中晶面间距公式计算出的铍(103)晶面的间距 重庆大学博士学位论文 门刀2293 x 10’“m）也较为一致，证明了该方法的正确性；用经热等静压处理的… 的镀圆片试样验证了X射线残余应力测定的积分变换法，根据模型方程，按给定的 距试样表面的深度值，即可求得该深度处的应力分量，结果表明，铰圆片试样中的 正应力分量O’；、q。随深度的变化较大，分别从表面的129．4681MPa和25．8521硼a 变化至距表面 0．7…处的J．8644Wa和上．31 50Wa，而切应力分量 mb m。和 p及正应力分量内的值均很小。 论文提出的X射线三维残余应力及深度分布的无损测定新方法，有助于加深对 镀及其制品残余应力测定的认识，也为其他轻元素材料和轻质复合材料残余应力的 测定提供了一种新的思路和新的方法，具有重要的理论意义和参考价值。