A tensão residual é um tipo de tensão interna referida como tal na engenharia. A distribuição da tensão residual em uma peça é muitas vezes desigual, o que pode impactar significativamente sua resistência estática, resistência à fadiga, estabilidade de forma e resistência à corrosão. Como resultado, medir a tensão residual é crucial.
Existem dois métodos principais para medir a tensão residual: testes destrutivos e testes não destrutivos. O método de teste destrutivo envolve a remoção de uma parte da peça e o cálculo da tensão residual com base na deformação e deslocamento correspondentes. Os métodos de teste destrutivos comuns incluem o método de perfuração e o método de núcleo em anel.
O método de teste não destrutivo envolve o estabelecimento de uma relação entre a tensão residual e uma quantidade física que pode causar uma mudança no material (como espaçamento do plano cristalino, taxa de propagação de ondas ultrassônicas ou permeabilidade magnética) para calcular a tensão residual. Os métodos de teste não destrutivos incluem difração de raios X, difração de nêutrons, métodos magnéticos e ultrassônicos.
A difração de raios X é o método mais amplamente utilizado para medição de tensão residual, devido aos seus princípios maduros e métodos bem estabelecidos, bem como à disponibilidade de equipamentos de teste cada vez mais sofisticados, incluindo instrumentos de laboratório, instrumentos portáteis para medição de campo e dispositivos especializados. para circunstâncias especiais.
O método de difração de raios X para medir a tensão residual foi proposto pela primeira vez pelo estudioso russo Akchenov em 1929 e equiparou a deformação macroscópica à deformação da rede. Em 1961, o estudioso alemão Macherauch desenvolveu ainda mais o pecado2Método ψ baseado na ideia de Akchenov, tornando a medição da tensão residual por difração de raios X uma tecnologia confiável e amplamente utilizada.
Nos últimos 60 anos, a difração de raios X desenvolveu-se em vários métodos de medição diferentes, com sen2O método ψ e o método cosα são os dois principais métodos usados atualmente.
1. Classificação dos métodos de medição de tensão residual por difração de raios X
Para dominar a tecnologia de difração de raios X para medir a tensão residual, é importante compreender seus vários métodos.
(1) Os métodos de medição de tensão residual por difração de raios X podem ser categorizados em duas abordagens principais: o sen2método ψ e método cosα.
(2) O pecado2O método ψ pode ainda ser classificado com base no método de cálculo da tensão residual, no método 2θ, no método do valor d e no método de deformação.
(3) Com base na relação geométrica entre ψ e 2θ, o sen2O método ψ pode ser dividido em dois tipos: o método co-tilt e o método roll.
(4) O método de medição também pode ser diferenciado com base no modo de varredura do tubo de raios X e do tubo contador, no método ψ0 fixo e no método ψ fixo.
(5) Dentro do método de rolo, existem três subcategorias: o método de rolo padrão, o método de rolo modificado e o método de fixação de rolo ψ.
(6) O método de medição ψ positivo e negativo é usado para determinar a tensão de cisalhamento τφ.
(7) A difração de raios X é normalmente usada para medir a tensão numa direção específica num ponto específico, mas também existem métodos para medir a tensão principal num ponto.
(8) O método de oscilação pode ser dividido em várias subcategorias: o método de oscilação ψ0, o método de oscilação ψ, o método de oscilação em anel Debye, o método de oscilação em ângulo φ e o método de translação recíproca X/Y.
(9) Em termos de geometria de difração, existem três abordagens: o método de focagem, o método de quase-focagem e o método de feixe paralelo.
2. pecado2ψ método para determinação de tensão residual por difração de raios X
A tensão é determinada pela deformação. No caso de materiais policristalinos, a tensão residual é estimada pelo resultado estatístico da deformação da rede na região relevante.
Assim, a tensão residual pode ser determinada medindo a deformação da rede através da técnica de difração de raios X.
A tensão residual do material reflete a macro deformação.
A deformação macro é equivalente à deformação da rede.
A deformação da rede representa a mudança relativa no espaçamento do plano cristalino, que pode ser calculada usando um dispositivo de difração baseado na lei de Bragg.
Isso resume o método de difração de raios X para medir a tensão residual.
2.1 Lei de Bragg
Quando um policristal é exposto a um feixe de raios X com comprimento de onda específico (λ), a intensidade máxima do raio X refletido (ou seja, o pico de difração) será observada em um ângulo de difração específico (2θ), conforme ilustrado em Figura 1. Este fenômeno é conhecido como difração de raios X.
A relação entre o comprimento de onda dos raios X (λ), o espaçamento do plano cristalino (d) e o ângulo de Bragg (θ) é descrito pela seguinte equação (1).
Na análise de difração de raios X da tensão residual, o material alvo apropriado para o tubo de raios X é selecionado para determinar o comprimento de onda adequado (λ). O ângulo de difração (2θ) é então medido usando um dispositivo de difração. Com base na medição, o espaçamento do plano cristalino (d) do plano cristalino relevante pode ser calculado.
Fig. 1 Geometria de difração de raios X
2.2 Ângulo azimutal de difração do plano cristalino ψ
De acordo com a lei de reflexão da óptica, a normal do plano do cristal envolvido na difração deve estar na bissetriz entre os raios incidentes e refletidos, conforme ilustrado na Figura 2.
O ângulo entre a normal do plano do cristal de difração e a normal da superfície da amostra é conhecido como ângulo azimutal da normal do plano do cristal de difração, que geralmente é representado por ψ.
Fig. 2 Diagrama esquemático do plano cristalino de difração de raios X Azimute ψ
A lei de Bragg permite a determinação do espaçamento (dψ) dos planos cristalinos em uma orientação específica (ψ).
Se o espaçamento (d0) dos planos cristalinos no estado livre de tensão for conhecido, a deformação da rede (εψ) na orientação designada pode ser calculada.
2.3 Âmbito de aplicação de pecado2ψ métodod
S1, S2 e S3 são os eixos da superfície da amostra e S1 é definido pelo pesquisador.
A Figura 3 ilustra o sistema de coordenadas utilizado para medição da tensão residual por meio de difração de raios X.
Fig. 3 Sistema de coordenadas para medição de tensão de difração de raios X
De acordo com a lei de Hooke generalizada, as deformações desses planos cristalinos são influenciadas pelo tensor de tensão no ponto O e estão intimamente ligadas ao seno e cosseno de φ e ψ, ao módulo de Young do material e à razão de Poisson.
Assim, é possível determinar a tensão tridimensional no ponto O, incluindo a tensão (σφ).
A expressão para deformação na direção OP pode ser derivada da teoria da elasticidade.
Para a maioria dos materiais e componentes, a profundidade de penetração dos raios X é de apenas alguns mícrons a dezenas de mícrons, portanto, é comumente assumido que σ33=0.
Portanto, a deformação na direção OP é representada pela equação (2).
O pecado2A fórmula do método ψ é derivada com base na lei de Bragg e na teoria elástica.
Os objetos considerados na teoria da elasticidade são considerados meios homogêneos, contínuos e isotrópicos.
No entanto, esta suposição só é válida para materiais metálicos policristalinos se o tamanho do grão for fino e não houver textura presente.
A Figura 4 mostra a curva de relação funcional de εn e pecado2ψ para materiais isotrópicos, materiais com gradiente de tensão ou gradiente de composição, materiais com tensão de cisalhamento e materiais anisotrópicos com textura.
Como mostrado na Fig. 4c), se a tensão de cisalhamento τ13≠ 0, τ23≠0 e pecado2A curva ψ tem bifurcação ± ψ, σφ e τφ pode ser obtido usando os dados de deformação medidos ε﹢ψ e ε﹣ψ em uma série de ângulos ± ψ, conforme mostrado na Fórmula (4) e Fórmula (5).
É importante notar que o pecado2É improvável que a curva ψ mostrada na Figura 4c) tenha uma bifurcação ±ψ.
Isso ocorre porque o raio X usado para difração tem profundidade de penetração limitada no material testado, geralmente de apenas alguns mícrons a dezenas de mícrons.
Consequentemente, os componentes de tensão perpendiculares à superfície do material podem ser considerados zero.
Somente quando o plano de tensão principal se desvia da superfície da amostra sob a condição de usinagem especial (como retificação potente e de grande quantidade de corte) pode τ13≠0 e τ23≠0 ocorrer.
A bifurcação ±ψ não é uma ocorrência comum e a curva de ajuste geralmente não possui o atributo de elipse. Isto se deve em grande parte ao erro sistemático no mecanismo ±ψ do goniômetro. Portanto, não há necessidade de enfatizar excessivamente a importância do ajuste da elipse.
Em conclusão, o processo prático e implementável de determinação da tensão residual através da difração de raios X envolve a seleção de alguns ângulos ψ (ou vários pares de ângulos ±ψ) e a medição do ângulo de difração correspondente (2θφψ), seguido de cálculo.
Os estudiosos desenvolveram vários métodos para organizar a relação geométrica espacial entre o plano ψ e o plano 2θ, determinando a curva de difração e realizando cálculos.
3. Método de deformação verdadeira, método 2θ e método do valor d
O ângulo de difração 2θφψ é medido pelo dispositivo de difração de raios X, e o espaçamento do plano de cristal correspondente é calculado como dφψ de acordo com a lei de Bragg, então a deformação da rede εφψ pode ser expresso pelo espaçamento do plano cristalino, conforme mostrado na Fórmula (6).
A deformação verdadeira é substituída diretamente na Equação (3), Equação (4) e Equação (5) para calcular a tensão, que é a expressão do método de deformação verdadeira.
O método de deformação verdadeira é adotado e os valores exatos de d0 e θ0 não são necessários.
Na maioria dos casos, o método de deformação verdadeira apresenta vantagens significativas.
Equações aproximadas também podem ser usadas para calcular a deformação, como mostrado na Eq. (7) e Eq. (8).
A fórmula de cálculo do método 2θ é mostrada na equação (9).
Onde, K é a constante de tensão, e sua fórmula de cálculo é mostrada na equação (10).
Onde: ν é o coeficiente de Poisson do material.
Para alguns materiais, θ0 varia muito com a composição química, e os resultados terão grande desvio se a constante de tensão for usada.
O método de deformação verdadeira foi incluído na norma da União Europeia EN 15305-2008 Ensaios não destrutivos – Método de teste para análise de tensão residual por difração de raios X e GB/T 7704-2017 Método de medição de tensão de raios X para testes não destrutivos.
O medidor de tensão doméstico XL-640 lista o método de deformação verdadeira como o método de cálculo de tensão padrão, e o método 2θ pode ser selecionado para cálculo.
4. Método de co-inclinação e método de rolo
O método coplanar é um método de medição em que o plano 2θ coincide com o plano ψ (plano de direção das tensões), conforme mostrado na Figura 5.
Fig. 5 Diagrama geométrico do mesmo método de inclinação
Com o mesmo método de inclinação, o ângulo de incidência de raios X ψ0 é dominante, enquanto o ângulo ψ pode ser calculado, conforme mostrado na Eq. (11) e Eq. (12).
No teste de tensão da peça real, quando o ponto de teste está localizado em uma ranhura rasa semelhante, o espaço de teste do goniômetro é limitado, portanto o mesmo método de inclinação é mais adequado.
O método roll é um método de medição no qual o plano 2θ e o plano ψ (plano de direção de tensão) são perpendiculares entre si, conforme mostrado na Fig.
Fig. 6 Diagrama Geométrico do Método Roll
A principal característica do método Roll (método χ) é o seu pequeno fator de absorção do pico de difração, o que contribui para aumentar a precisão da medição.
As faixas 2θ e ψ podem ser totalmente estendidas conforme necessário. Para certos materiais, raios difrativos com posições de pico baixas (como picos abaixo de 145°) podem ser utilizados para medição de tensão.
No entanto, o plano 2θ e o plano ψ deste método são perpendiculares entre si, exigindo um espaço tridimensional, tornando-o um desafio para a aplicação na medição de espaços estreitos.
O produto de instrumento de tensão de uma empresa estrangeira emprega um método Roll modificado com detectores duplos, conforme mostrado na Figura 7. Seu layout geométrico é mostrado na figura.
Fig. 7 Diagrama geométrico do método de rolo modificado
Já em janeiro de 1977, Li Jiabao, Instituto de Metais da Academia Chinesa de Ciências, propôs este método de teste e fórmula de cálculo, conforme mostrado na Eq. (13) e Eq. (14).
O método roll pode ser dividido em duas categorias: o método ψ0 fixo e o método ψ fixo.
O método ψ fixo é considerado superior ao método ψ0 fixo devido aos seus princípios mais precisos e resultados eficazes na prática.
Ao combinar estes dois métodos, o método roll fixo ψ, o fator de absorção pode ser igual a 1.
Isto significa que o pico de difração não se inclinará na parte inferior traseira, a forma do pico permanecerá simétrica e a forma e a intensidade do pico permanecerão inalteradas, mesmo que o ângulo ψ mude, desde que não haja textura.
Esse recurso aumenta muito a precisão da medição, tornando o método ψ fixo por rolo uma técnica de medição ideal.
5. Método de balanço
O método de oscilação envolve usar cada ângulo definido ψ (ou ângulo ψ0) como ponto central e fazer com que o tubo de raios X e o detector balancem para a esquerda e para a direita em um ângulo específico (±Δψ ou ±Δψ0).
Este método aumenta o número de grãos que participam da difração, tornando-o um método eficaz para medir a tensão em materiais de granulação grossa.
Outros métodos de oscilação, como o método de oscilação do ângulo φ e o método de oscilação de translação X/Y, também podem ser usados, e diferentes métodos de oscilação podem até ser combinados para fins de teste.
6. Determinação da tensão residual por difração de raios X cosα método
Em 2012, a PULSTEC, uma empresa sediada no Japão, introduziu pela primeira vez um instrumento de tensão que utiliza tecnologia de detecção bidimensional.
Este instrumento opera usando um modo de incidente único e um detector bidimensional para coletar informações de difração de raios X, permitindo coletar rapidamente dados do anel de Debye no ponto de teste.
Como o ângulo ψ formado pela normal da face do cristal e pela normal da superfície da amostra não está no mesmo plano para cada ponto do anel de Debye, o sen2O método ψ não pode ser usado para calcular a tensão. Em vez disso, o método do ângulo α, ou cosα, é empregado (como mostrado na Figura 8).
Fig. 8 Diagrama Geométrico do Método cosα
Este método de teste é ideal para medir tensões superficiais em grandes estruturas de aço.
No entanto, tem limitações ao testar materiais de granulação grossa ou materiais com textura.
O método cosα baseia-se nos princípios da elasticidade, conforme demonstrado pelas Equações (15) e (16).
A Figura 9 mostra a faixa máxima de ângulo ψ que pode ser adquirida usando um “detector completo de duas posições” (com um ângulo de incidência de 45°).
O ângulo α está no plano do anel de Debye, que é o ângulo central de cada ponto no anel de Debye.
Fig. 9 Localização dos pontos de dados do método sin2ψ na curva s
Ambos os métodos para medir a tensão residual através da difração de raios X baseiam-se no mesmo princípio mecânico.
O tensor de deformação pode ser transformado no ângulo espacial, e o ângulo α usado no método cosα pode ser totalmente convertido no ângulo ψ.
Em essência, o método cosα é essencialmente uma aproximação do sin2método ψ.
7. Comparação da tensão residual da chapa de aço laminada a quente medida por diferentes instrumentos
Normalmente, as placas de aço laminadas a quente são consideradas isentas de textura. No entanto, algumas partes da chapa de aço podem apresentar textura devido a vários fatores.
Apesar disso, muitos usuários ainda optam por usar a difração de raios X para medir a tensão residual nesses casos.
Por exemplo, se for selecionada uma placa de aço laminada a quente com textura, as condições de teste e os resultados podem ser vistos na Tabela 1 e na Tabela 2. O relatório de teste para a medição da tensão residual no ponto Z (0) por cada instrumento é mostrado em Figuras 10-13.
Tabela 1 Parâmetros de teste para medição de tensão residual de chapa de aço laminada a quente com diferentes instrumentos de tensão
| Tipo de equipamento | μ-X360S | PROTOLXRD | RAIO X | XL-640 |
| método de teste | cosα | pecado2ψ | pecado2ψ | pecado2ψ |
| Tensão/kV | 20 | 30 | 20 | 25 |
| Corrente/mA | 1 | 25 | 1 | 6 |
| Ponto iluminado/mm | 1 | 1 | 1 | 1 |
| ψ Faixa/（°） | – | -35~35 | -40~40 | 0~45 |
| Método de cálculo de deformação | – | Método do valor D | Método de tensão | Método de tensão |
| Método de determinação de pico | – | PessoaVII | Ponto médio | Método de correlação cruzada |
| Tensão residual/MPa | 78 | 213,6 | 144 | 113 |
Tabela 2 Tensão residual de chapa de aço laminada a quente medida por diferentes instrumentos de tensão
| Ponto de teste | μ-X360S | PROTOLXRD | RAIO 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 Anel de Debye no ponto Z (0) medido com medidor de tensão tipo μ-X360S
Fig. 11 2θ-sin2Curva ψ de Z (0) medida pelo medidor de tensão PROTO LXRD
Fig. 12 2θ-sin2ψ Curva do ponto de medição Z (0) com medidor de tensão X-RAYBOT
Fig. 13 ε-sin2Curva ψ de Z (0) medida com medidor de tensão XL-640
A tensão residual medida pelo método c é menor que aquela medida pelo método s.
Para o ponto de teste Z (0), é utilizado o medidor de tensão. De acordo com o princípio do espaçamento igual do pecado2ψ, 8 ângulos ψ são selecionados dentro da faixa de 0 °~45 °.
Os resultados são mostrados na Figura 14-15. Pode-se ver que o pecado2A curva ψ do material apresenta um tipo “choque” devido à textura.
A ordenada do pecado2A curva ψ na Fig. 13 é a deformação ε. Depois de alterar a ordenada para 2θ, execute o ajuste linear. Os resultados são mostrados na Figura 14.
A inclinação M da linha de ajuste é -0,355 e a tensão residual σ é 113MPa.
Fig. 14 Resultados de ajuste de 2θ-sin2Curva ψ medida pelo medidor de tensão XL-640 no ponto Z (0)
A faixa ψ selecionada pelo medidor de tensão μ-X360S é equivalente aos dois primeiros valores 2θ de blindagem e, em seguida, o ajuste em linha reta é realizado. Os resultados são mostrados na Figura 15.
Fig. 15 Resultados de ajuste de 2θ-sin2ψ Curva de Z (0) medida por instrumento de tensão tipo μ-X360S
Use o medidor de tensão PROTO LXRD para testar a faixa ψ selecionada, proteja os últimos três valores 2θ na Fig. 14 e, em seguida, execute o ajuste linear. Os resultados são mostrados na Fig.16.
Fig. 16 Resultados de ajuste de 2θ-sin2Curva ψ medida pelo medidor de tensão PROTO LXRD no ponto Z (0)
Pode ser visto na Figura 12 que o pecado máximo2O valor ψ do ponto Z (0) é 0,4 usando o medidor de estresse X-RAYBOT.
De acordo com a faixa ψ selecionada, proteja os dois últimos valores de 2θ na Fig. 14 e, em seguida, execute o ajuste linear. Os resultados são mostrados na Figura 17.
Fig. 17 Resultados de ajuste de 2θ-sin2ψ Curva de Z (0) medida pelo testador de estresse X-RAYBOT
Devido à textura do material, seu pecado2A curva ψ é oscilatória.
A faixa de ângulo ψ selecionada é diferente, resultando em diferenças nos valores de inclinação e tensão residual obtidos a partir da linha de ajuste.
Para materiais com textura desconhecida e granulação grossa, não é aconselhável escolher uma faixa ψ estreita e um pequeno número de estações ψ para medição de tensão residual, pois isso pode levar a erros de medição significativos.
O encaixe linear pode não ser apropriado para materiais com pecado texturizado2ψ curvas que são oscilatórias.
Durante o processo de medição, o ajuste linear é frequentemente usado para mitigar flutuações causadas por vibrações e erros de medição.
Pode não ser viável atingir um ângulo ψ de 45°, pois isso pode ser influenciado pela profundidade de penetração. Um ângulo maior tem maior probabilidade de produzir resultados mais precisos, desde que a profundidade de penetração possa ser ignorada.
Para materiais com granulação grossa ou textura, a faixa do ângulo ψ deve ser expandida tanto quanto possível para eliminar os efeitos do ε-sin não linear.2distribuição ψ. Isto pode ser conseguido medindo ambos os ângulos ±ψ.
A precisão das linhas retas ajustadas pode ser melhorada usando o método dos mínimos quadrados para ajustar a regressão e aumentando tanto o intervalo ψ quanto o número de estações ψ. Isso resultará em valores de teste mais confiáveis.
A precisão da medição também pode ser melhorada aumentando a área de exposição aos raios X ou aumentando o número de grãos de difração participantes através do método swing.
8. Conclusão
(1) O pecado2O método ψ pode ser usado para determinar a tensão residual com maior precisão, aumentando o intervalo de ψ e selecionando mais estações ψ. No entanto, este método tem limitações, pois envolve exposição única, o que pode resultar em grandes erros de medição se o intervalo de ψ não for suficiente.
(2) Nos métodos de medição que utilizam o pecado2Princípio ψ, o método roll é superior ao método tilt. Recomenda-se utilizar o método roll sempre que as condições de espaço no ponto de medição permitirem. Para medir a tensão residual em ranhuras de certos componentes, o método de coinclinação é comumente usado.
(3) O método de deformação verdadeira é o método preferido para calcular a tensão residual.
(4) O método sin2ψ é considerado um método padrão para este fim. Para obter resultados mais precisos, o ângulo ψ deve ser definido usando o sen2Método de bissecção de valor ψ e tantos ângulos ψ quanto possível devem ser medidos.
