La tensión residual es un tipo de tensión interna denominada como tal en ingeniería. La distribución de la tensión residual en una pieza suele ser desigual, lo que puede afectar significativamente su resistencia estática, resistencia a la fatiga, estabilidad de la forma y resistencia a la corrosión. Como resultado, medir la tensión residual es crucial.
Existen dos métodos principales para medir la tensión residual: pruebas destructivas y pruebas no destructivas. El método de ensayo destructivo implica retirar una parte de la pieza y calcular la tensión residual en función de la deformación y el desplazamiento correspondientes. Los métodos de prueba destructivos comunes incluyen el método de perforación y el método de núcleo de anillo.
El método de prueba no destructivo implica establecer una relación entre la tensión residual y una cantidad física que puede provocar un cambio en el material (como el espaciado de los planos cristalinos, la velocidad de propagación de ondas ultrasónicas o la permeabilidad magnética) para calcular la tensión residual. Los métodos de prueba no destructivos incluyen difracción de rayos X, difracción de neutrones, métodos magnéticos y ultrasónicos.
La difracción de rayos X es el método más utilizado para medir la tensión residual, debido a sus principios maduros y métodos bien establecidos, así como a la disponibilidad de equipos de prueba cada vez más sofisticados, incluidos instrumentos de laboratorio, instrumentos portátiles para medir el campo y dispositivos especializados. para circunstancias especiales.
El método de difracción de rayos X para medir la tensión residual fue propuesto por primera vez por el académico ruso Akchenov en 1929 y equiparó la deformación macroscópica con la deformación de la red. En 1961, el erudito alemán Macherauch desarrolló aún más el método sen 2 ψ basado en la idea de Akchenov, haciendo de la medición de la tensión residual mediante difracción de rayos X una tecnología confiable y ampliamente utilizada.
Durante los últimos 60 años, la difracción de rayos X se ha desarrollado en varios métodos de medición diferentes, siendo el método sin 2 ψ y el método cosα los dos métodos principales utilizados en la actualidad.
1. Clasificación de los métodos de medición de tensiones residuales mediante difracción de rayos X.
Para dominar la tecnología de difracción de rayos X para medir la tensión residual, es importante comprender sus diversos métodos.
(1) Los métodos de medición de la tensión residual por difracción de rayos X se pueden clasificar en dos enfoques principales: el método sin 2 ψ y el método cosα.
(2) Sin 2 El método ψ se puede clasificar además según el método de cálculo de la tensión residual, el método 2θ, el método del valor y el método de la deformación.
(3) Según la relación geométrica entre ψ y 2θ, el pecado 2 El método ψ se puede dividir en dos tipos: el método de co-inclinación y el método de balanceo.
(4) El método de medición también se puede diferenciar según el modo de escaneo del tubo de rayos X y el tubo contador, el método ψ0 fijo y el método ψ fijo.
(5) Dentro del método del rollo, hay tres subcategorías: el método del rollo estándar, el método del rollo modificado y el método de sujeción del rollo ψ.
(6) El método de medición ψ positivo y negativo se utiliza para determinar el esfuerzo cortante τφ.
(7) La difracción de rayos X se utiliza normalmente para medir la tensión en una dirección específica en un punto específico, pero también existen métodos para medir la tensión principal en un punto.
(8) El método de oscilación se puede dividir en varias subcategorías: el método de oscilación ψ0, el método de oscilación ψ, el método de oscilación del anillo de Debye, el método de oscilación de ángulo φ y el método de traslación recíproca X/Y.
(9) En términos de geometría de difracción, existen tres enfoques: el método de enfoque, el método de cuasi-enfoque y el método de haz paralelo.
2. Método sin 2 ψ para determinar la tensión residual mediante difracción de rayos X
El estrés está determinado por la tensión. En el caso de materiales policristalinos, la tensión residual se estima mediante el resultado estadístico de la deformación de la red en la región relevante.
Por tanto, la tensión residual se puede determinar midiendo la deformación de la red mediante la técnica de difracción de rayos X.
La tensión residual del material refleja la macrodeformación.
La macrodeformación es equivalente a la deformación de la red.
La tensión de la red representa el cambio relativo en el espaciado de los planos cristalinos, que se puede calcular utilizando un dispositivo de difracción basado en la ley de Bragg.
Esto resume el método de difracción de rayos X para medir la tensión residual.
2.1 Ley de Bragg
Cuando se expone un policristal a un haz de rayos X de una longitud de onda específica (λ), la intensidad máxima de los rayos X reflejados (es decir, el pico de difracción) se observará en un ángulo de difracción específico (2θ), como se ilustra en la Figura 1. Este fenómeno se conoce como difracción de rayos X.
La relación entre la longitud de onda de los rayos X (λ), el espaciado del plano cristalino (d) y el ángulo de Bragg (θ) se describe mediante la siguiente ecuación (1).
En el análisis de difracción de rayos X de tensión residual, se selecciona el material objetivo apropiado para el tubo de rayos X para determinar la longitud de onda adecuada (λ). Luego se mide el ángulo de difracción (2θ) utilizando un dispositivo de difracción. A partir de la medición se puede calcular la separación entre planos cristalinos (d) del plano cristalino correspondiente.
Fig. 1 Geometría de difracción de rayos X
2.2 Ángulo azimutal de difracción del plano cristalino ψ
Según la ley de reflexión en óptica, la normal del plano cristalino involucrado en la difracción debe estar en la bisectriz entre los rayos incidente y reflejado, como se ilustra en la Figura 2.
El ángulo entre la normal del plano del cristal de difracción y la normal de la superficie de la muestra se conoce como ángulo azimutal de la normal del plano del cristal de difracción, que generalmente se representa por ψ.
Fig. 2 Diagrama esquemático del plano de difracción de rayos X cristalino Azimut ψ
La ley de Bragg permite determinar el espaciamiento (dψ) de planos cristalinos en una orientación específica (ψ).
Si se conoce la separación (d0) de los planos cristalinos en el estado libre de tensiones, se puede calcular la deformación de la red (εψ) en la orientación designada.
2.3 Ámbito de aplicación del método sin 2 ψ d
S1, S2 y S3 son los ejes de la superficie de la muestra y S1 lo define el investigador.
La Figura 3 ilustra el sistema de coordenadas utilizado para medir la tensión residual mediante difracción de rayos X.
Fig. 3 Sistema de coordenadas para medir la tensión de difracción de rayos X
Según la ley generalizada de Hooke, las deformaciones de estos planos cristalinos están influenciadas por el tensor de tensión en el punto O y están estrechamente relacionadas con el seno y el coseno de φ y ψ, el módulo de Young del material y la relación de Poisson.
Por tanto, es posible determinar la tensión tridimensional en el punto O, incluida la tensión (σφ).
La expresión de la deformación en la dirección OP puede derivarse de la teoría de la elasticidad.
Para la mayoría de los materiales y componentes, la profundidad de penetración de los rayos X es de sólo unas pocas micras a decenas de micras, por lo que comúnmente se supone que σ 33 =0.
Por lo tanto, la deformación en la dirección OP está representada por la ecuación (2).
Sin 2 La fórmula del método ψ se deriva de la ley de Bragg y la teoría elástica.
Los objetos considerados en la teoría de la elasticidad se consideran medios homogéneos, continuos e isotrópicos.
Sin embargo, esta suposición sólo es válida para materiales metálicos policristalinos si el tamaño del grano es fino y no hay textura presente.
La Figura 4 muestra la curva de relación funcional de ε n y sen 2 ψ para materiales isotrópicos, materiales con gradiente de tensiones o gradiente de composición, materiales con tensión cortante y materiales anisotrópicos con textura.
Como se muestra en la Fig. 4c), si el esfuerzo cortante τ 13 ≠ 0, τ 23 ≠0 y sen 2, la curva ψ tiene bifurcación ± ψ, σ φ y τ φ se puede obtener utilizando los datos de deformación medidos ε ﹢ψ y ε. ﹣ψ en una serie de ángulos ± ψ, como se muestra en la Fórmula (4) y la Fórmula (5).
Es importante señalar que sin 2 Es poco probable que la curva ψ que se muestra en la Figura 4c) tenga una bifurcación ±ψ.
Esto se debe a que los rayos X utilizados para la difracción tienen una profundidad de penetración limitada en el material que se está probando, generalmente desde unas pocas micras hasta decenas de micras.
En consecuencia, las componentes de la tensión perpendiculares a la superficie del material pueden considerarse cero.
Sólo cuando el plano de tensión principal se desvía de la superficie de la muestra bajo la condición de un mecanizado especial (como un rectificado potente y una gran cantidad de corte) pueden ocurrir τ 13 ≠0 y τ 23 ≠0.
La bifurcación ±ψ no es una ocurrencia común y la curva de ajuste generalmente no tiene el atributo de elipse. Esto se debe en gran medida a un error sistemático en el mecanismo ±ψ del goniómetro. Por lo tanto, no es necesario exagerar la importancia del ajuste de elipse.
En conclusión, el proceso práctico e implementable de determinar la tensión residual mediante difracción de rayos X implica seleccionar algunos ángulos ψ (o varios pares de ángulos ±ψ) y medir el ángulo de difracción correspondiente (2θφψ), seguido de calcular.
Los académicos han desarrollado varios métodos para organizar la relación geométrica espacial entre el plano ψ y el plano 2θ, determinando la curva de difracción y realizando cálculos.
3. Método de deformación verdadera, método 2θ y método del valor d
El ángulo de difracción 2θ φψ se mide mediante el dispositivo de difracción de rayos X, y el espaciado del plano cristalino correspondiente se calcula como d φψ de acuerdo con la ley de Bragg, luego la deformación de la red ε φψ se puede expresar mediante el plano cristalino del espaciado de la red, como se muestra en Fórmula (6).
La deformación verdadera se sustituye directamente en la Ecuación (3), la Ecuación (4) y la Ecuación (5) para calcular la tensión, que es la expresión del método de deformación verdadera.
Se adopta el método de deformación verdadera y no se requieren los valores exactos de d 0 y θ 0 .
En la mayoría de los casos, el método de deformación verdadera tiene ventajas significativas.
También se pueden utilizar ecuaciones aproximadas para calcular la deformación, como se muestra en la ecuación (7) y la ecuación (8).
La fórmula de cálculo del método 2θ se muestra en la ecuación (9).
Donde K es la constante de voltaje y su fórmula de cálculo se muestra en la ecuación (10).
Donde: ν es la relación de Poisson del material.
Para algunos materiales, θ 0 varía mucho con la composición química y los resultados se desviarán mucho si se utiliza la constante de tensión.
El método de deformación verdadera ha sido incluido en la norma de la Unión Europea EN 15305-2008 Ensayos no destructivos – Método de ensayo para análisis de tensión residual por difracción de rayos X y GB/T 7704-2017 Método de medición de tensión de rayos X para ensayos no destructivos .
El extensímetro doméstico XL-640 incluye el método de deformación real como método de cálculo de deformación predeterminado, y se puede seleccionar el método 2θ para el cálculo.
4. Método de co-inclinación y método de rodillo
El método coplanar es un método de medición en el que el plano 2θ coincide con el plano ψ (plano de dirección de tensiones), como se muestra en la Figura 5.
Fig.5 Diagrama geométrico del mismo método de pendiente.
Con el mismo método de inclinación, el ángulo de incidencia de los rayos X ψ 0 es dominante, mientras que el ángulo ψ se puede calcular, como se muestra en la ecuación (11) y (12).
En la prueba de tensión de la pieza real, cuando el punto de prueba está ubicado en una ranura poco profunda similar, el espacio de prueba del goniómetro es limitado, por lo que el mismo método de inclinación es más adecuado.
El método de balanceo es un método de medición en el que el plano 2θ y el plano ψ (plano de dirección de tensión) son perpendiculares entre sí, como se muestra en la Fig.
Fig.6 Diagrama geométrico del método del rollo.
La principal característica del método Roll (método χ) es su pequeño factor de absorción del pico de difracción, lo que contribuye a aumentar la precisión de la medición.
Los rangos 2θ y ψ se pueden ampliar completamente según sea necesario. Para ciertos materiales, se pueden usar rayos difractivos con posiciones de pico bajas (como picos por debajo de 145°) para medir la deformación.
Sin embargo, el plano 2θ y el plano ψ de este método son perpendiculares entre sí, lo que requiere un espacio tridimensional, lo que dificulta su aplicación al medir espacios estrechos.
El producto de instrumento de voltaje de una empresa extranjera emplea un método Roll modificado con detectores duales, como se muestra en la Figura 7. Su diseño geométrico se muestra en la figura.
Fig. 7 Diagrama geométrico del método del rodillo modificado.
Ya en enero de 1977, Li Jiabao, Instituto de Metales de la Academia de Ciencias de China, propuso este método de prueba y fórmula de cálculo, como se muestra en la ecuación (13) y (14).
El método roll se puede dividir en dos categorías: el método ψ0 fijo y el método ψ fijo.
El método ψ fijo se considera superior al método ψ0 fijo debido a sus principios más precisos y resultados efectivos en la práctica.
Combinando estos dos métodos, el método de rollo fijo ψ, el factor de absorción puede ser igual a 1.
Esto significa que el pico de difracción no se inclinará en la parte inferior hacia atrás, la forma del pico permanecerá simétrica y la forma y la intensidad del pico permanecerán sin cambios incluso si el ángulo ψ cambia, siempre que no haya textura.
Esta característica aumenta en gran medida la precisión de la medición, lo que hace que el método ψ fijo con rodillo sea una técnica de medición ideal.
5. Método de equilibrio
El método de oscilación implica utilizar cada ángulo definido ψ (o ángulo ψ0) como punto central y hacer que el tubo de rayos X y el detector oscilen hacia la izquierda y hacia la derecha en un ángulo específico (±Δψ o ±Δψ0).
Este método aumenta la cantidad de granos que participan en la difracción, lo que lo convierte en un método eficaz para medir la tensión en materiales de grano grueso.
También se pueden utilizar otros métodos de oscilación, como el método de oscilación del ángulo φ y el método de oscilación de traslación X/Y, e incluso se pueden combinar diferentes métodos de oscilación con fines de prueba.
6. Determinación de la tensión residual mediante el método cosα de difracción de rayos X
En 2012, PULSTEC, una empresa con sede en Japón, presentó por primera vez un instrumento de tensión que utiliza tecnología de detección bidimensional.
Este instrumento funciona utilizando un modo de incidente único y un detector bidimensional para recopilar información de difracción de rayos X, lo que le permite recopilar rápidamente datos del anillo de Debye en el punto de prueba.
Dado que el ángulo ψ formado por la normal de la cara del cristal y la normal de la superficie de la muestra no está en el mismo plano para cada punto del anillo de Debye, el método sin 2 ψ no se puede utilizar para calcular la tensión. En su lugar, se emplea el método del ángulo α, o cosα (como se muestra en la Figura 8).
Fig. 8 Diagrama geométrico del método cosα
Este método de prueba es ideal para medir tensiones superficiales en grandes estructuras de acero.
Sin embargo, tiene limitaciones al probar materiales de grano grueso o materiales texturizados.
El método cosα se basa en los principios de elasticidad, como lo demuestran las ecuaciones (15) y (16).
La Figura 9 muestra el rango de ángulo máximo ψ que se puede adquirir utilizando un "detector completo de dos posiciones" (con un ángulo de incidencia de 45°).
El ángulo α está en el plano del anillo de Debye, que es el ángulo central de cada punto del anillo de Debye.
Fig. 9 Ubicación de los puntos de datos del método sen 2 ψ en la curva s
Ambos métodos para medir la tensión residual mediante difracción de rayos X se basan en el mismo principio mecánico.
El tensor de deformación se puede transformar en un ángulo espacial y el ángulo α utilizado en el método cosα se puede convertir completamente en un ángulo ψ.
En esencia, el método cosα es esencialmente una aproximación del método sen 2 ψ.
7. Comparación de la tensión residual de chapa de acero laminada en caliente medida con diferentes instrumentos
Normalmente, se considera que las placas de acero laminadas en caliente no tienen textura. Sin embargo, algunas partes de la placa de acero pueden tener textura debido a diversos factores.
A pesar de esto, muchos usuarios todavía optan por utilizar la difracción de rayos X para medir la tensión residual en estos casos.
Por ejemplo, si se selecciona una placa de acero laminada en caliente texturizada, las condiciones y resultados de la prueba se pueden ver en la Tabla 1 y la Tabla 2. El informe de prueba para medir la tensión residual en el punto Z (0) para cada instrumento se muestra en la Figura 10. -13.
Tabla 1 Parámetros de prueba para medir la tensión residual de chapa de acero laminada en caliente con diferentes instrumentos de tensión
| tipo de equipo | μ-X360S | PROTOLXRD | RAYO X | XL-640 |
| método de prueba | cosα | pecado 2 ψ | pecado 2 ψ | pecado 2 ψ |
| Tensión/kV | 20 | 30 | 20 | 25 |
| Corriente/mA | 1 | 25 | 1 | 6 |
| Punto iluminado/mm | 1 | 1 | 1 | 1 |
| ψ Rango/（°） | – | -35~35 | -40~40 | 0~45 |
| Método de cálculo de la deformación. | – | método del valor D | Método de tensión | Método de tensión |
| Método de determinación de picos | – | PersonaVII | Punto medio | Método de correlación cruzada |
| Estrés residual/MPa | 78 | 213,6 | 144 | 113 |
Tabla 2 Tensión residual de chapa de acero laminada en caliente medida con diferentes instrumentos de tensión
| Punto de prueba | μ-X360S | PROTOLXRD | RAYO X | XL-640 |
| Z(5) | 29,47 | 122 | 107 | 77 |
| Z(4) | 37,52 | 135 | 112 | 70 |
| Z(3) | 74,70 | 104 | 95 | 67 |
| Z(2) | 38.28 | 153 | 99 | 134 |
| Z(1) | 37,64 | 166 | 122 | 101 |
| Z(0) | 64,78 | 144 | 213 | 113 |
| Z(-1) | 72,71 | 138 | 97 | 139 |
| Z(-2) | 62,52 | 134 | 83 | 145 |
| Z(-3) | 75,70 | 120 | 93 | 153 |
| Z(-4) | 63,56 | 114 | 80 | 148 |
| Z(-5) | 79,27 | 94 | 93 | 152 |
Fig. 10 Anillo de Debye en el punto Z (0) medido con una galga extensométrica μ-X360S
Fig. 11 Curva 2θ-sen 2 ψ de Z (0) medida con una galga extensométrica PROTO LXRD
Fig. 12 Curva 2θ-sen 2 ψ del punto de medición Z (0) con galga extensométrica X-RAYBOT
Fig. 13 Curva ε-sen 2 ψ de Z (0) medida con galga extensométrica XL-640
La tensión residual medida con el método c es menor que la medida con el método s.
Para el punto de prueba Z (0), se utiliza el voltímetro. De acuerdo con el principio de espaciado igual sin 2ψ , se seleccionan 8 ángulos ψ dentro del rango de 0°~45°.
Los resultados se muestran en la Figura 14-15. Se puede observar que sen 2 La curva ψ del material presenta un tipo “shock” debido a la textura.
La ordenada del sen 2. La curva ψ en la Fig. 13 es la deformación ε. Después de cambiar la ordenada a 2θ, realice el ajuste lineal. Los resultados se muestran en la Figura 14.
La pendiente M de la línea de ajuste es -0,355 y la tensión residual σ es 113MPa.
Fig. 14 Resultados del ajuste de la curva 2θ-sen 2 ψ medida con galga extensométrica XL-640 en el punto Z (0)
El rango ψ seleccionado por el medidor de tensión μ-X360S es equivalente a los dos primeros valores de blindaje 2θ y luego se realiza el ajuste en línea recta. Los resultados se muestran en la Figura 15.
Fig. 15 Resultados de ajuste de la curva 2θ-sen 2 ψ Z (0) medidos con un instrumento de tensión tipo μ-X360S
Utilice el extensímetro PROTO LXRD para probar el rango ψ seleccionado, asegure los últimos tres valores 2θ en la Fig. 14 y luego realice el ajuste lineal. Los resultados se muestran en la Fig.16.
Fig. 16 Resultados del ajuste de la curva 2θ-sen 2 ψ medida con una galga extensométrica PROTO LXRD en el punto Z (0)
Se puede ver en la Figura 12 que el valor máximo de sen 2 ψ del punto Z (0) es 0,4 utilizando el medidor de tensión X-RAYBOT.
De acuerdo con el rango ψ seleccionado, proteja los dos últimos valores de 2θ en la Fig. 14 y luego realice un ajuste lineal. Los resultados se muestran en la Figura 17.
Fig. 17 Resultados de ajuste de la curva 2θ-sen 2 ψ Z(0) medida con el probador de tensión X-RAYBOT
Debido a la textura del material, su sen 2 La curva ψ es oscilatoria.
El rango de ángulo seleccionado ψ es diferente, lo que resulta en diferencias en los valores de pendiente y tensión residual obtenidos de la línea de ajuste.
Para materiales con textura desconocida y grano grueso, no es aconsejable elegir un rango ψ estrecho y un número pequeño de estaciones ψ para medir la tensión residual, ya que esto puede conducir a errores de medición significativos.
El ajuste lineal puede no ser apropiado para materiales con curvas texturizadas sen 2 ψ que son oscilatorias.
Durante el proceso de medición, a menudo se utiliza el ajuste lineal para mitigar las fluctuaciones causadas por vibraciones y errores de medición.
Puede que no sea factible lograr un ángulo ψ de 45° ya que esto puede verse influenciado por la profundidad de penetración. Es más probable que un ángulo mayor produzca resultados más precisos, siempre que se pueda ignorar la profundidad de penetración.
Para materiales de grano grueso o texturizados, el rango de ángulo ψ debe ampliarse tanto como sea posible para eliminar los efectos del ε-sin no lineal. Distribución 2ψ . Esto se puede lograr midiendo ambos ángulos ±ψ.
La precisión de las líneas rectas ajustadas se puede mejorar utilizando el método de mínimos cuadrados para ajustar la regresión y aumentando tanto el intervalo ψ como el número de estaciones ψ. Esto dará como resultado valores de prueba más confiables.
La precisión de la medición también se puede mejorar aumentando el área de exposición a los rayos X o aumentando el número de granos de difracción participantes mediante el método de oscilación.
8. Conclusión
(1) El método sin 2 ψ se puede utilizar para determinar la tensión residual con mayor precisión aumentando el rango ψ y seleccionando más estaciones ψ. Sin embargo, este método tiene limitaciones ya que implica una exposición única, lo que puede dar lugar a grandes errores de medición si el rango de ψ no es suficiente.
(2) En los métodos de medición que utilizan el principio sen 2 ψ, el método de giro es superior al método de inclinación. Se recomienda utilizar el método del rollo siempre que las condiciones de espacio en el punto de medición lo permitan. Para medir la tensión residual en las ranuras de determinados componentes se utiliza habitualmente el método de coinclinación.
(3) El método de deformación verdadera es el método preferido para calcular la tensión residual.
(4) El método sin2ψ se considera un método estándar para este propósito. Para obtener resultados más precisos, el ángulo ψ debe definirse utilizando el método de bisección del valor ψ sen 2 y deben medirse tantos ángulos ψ como sea posible.
