Рентгенографические методы определения остаточных напряжений в металлах
Рентгеновский метод определения остаточных напряжений основан на явлении рассеяния монохроматических рентгеновских лучей при прохождении через регулярную кристаллическую решетку материала. При таком рассеянии происходит интерференция лучей, в результате интенсивность лучей увеличивается только в определенных направлениях, тогда как в других направлениях — ослабляется. Для материалов некристаллической структуры (стекло, пластмасса) рентгеновский метод не применим.
В основе рентгеновского метода определения остаточных напряжений лежит формула Вульфа — Брэгга, характеризующая условие «отражения» рентгеновских лучей от атомных плоскостей кристалла:
где d — расстояние между двумя соседними параллельными атомными плоскостями кристаллической решетки исследуемого материала; 0 — угол падения пучка лучей на плоскость кристаллической решетки материала; п — целое число (порядок отражения); / — длина волны рентгеновского изучения.
Рентгеновские лучи, неудовлетворяющие условию (27), взаимно погашаются. Зная угол между падающим и отраженным рентгеновскими лучами, можно вычислить расстояние d при напряженном состоянии металла. Если известно расстояние между кристаллографическими плоскостями d, то деформация кристаллической решетки
где d0 — расстояние между кристаллографическими плоскостями при отсутствии напряжений.
При определенных упругих постоянных материала деформацию его кристаллической решетки можно отождествить с обычной (макроскопической) деформацией. Значение d0 определяют с помощью образца, изготовленного из того же материала, что и деталь, в которой изучают остаточные напряжения, и подвергнутого термообработке (отжигу) для снятия остаточных напряжений.
Одна из возможных схем для определения значения d показана на рис. 23. Монохроматический рентгеновский луч направляется узким пучком на исследуемую поверхность, а отраженные лучи фиксируются на рентгеновской пленке в виде затемненного кольцевого следа. Как следует из рисунка,
где / — расстояние от поверхности исследуемого тела до рентгеновской пленки.
Рис. 23. Принципиальная схема прибора для определения остаточных напряжений рентгеновским методом:
1 — поверхность исследуемого тела; 2 — кассета с рентгеновской пленкой; 3 — источник излучения
Вычислив п с помощью соотношения (27), можно найти d. Значение R определяют по рентгенограмме.
Достоинством рентгеновского метода является то, что он позволяет достоверно оценить остаточные напряжения II и III рода в поверхностном слое детали без ее разрушения. Но при определении остаточных напряжений 1 рода точность метода невысока. Это объясняется тем, что в отражении рентгеновских лучей участвуют только кристаллы, плоскости которых имеют Брэггов угол с направлением падающих лучей. Лучи, проникая в металл на глубину 3...50 мкм, дают на рентгенограммах или дифрактограммах осрсдненные по этой глубине значения остаточных напряжений. Для уточнения характера остаточных напряжений на различной глубине необходимо выполнить последовательное травление поверхности детали или образца со снятием рентгенограммы после каждого травления.
Изменения углов 20 указывают на присутствие только упругих деформаций (но не пластических). Этот факт важен при расчете внутренних напряжений по результатам измерения 20. Отметим и другие важные характеристики этого метода. С помощью специальных технических приемов могут быть определены деформации на субмикроскопическом уровне путем сравнения межплоскостного расстояния в напряженном и ненапряженном состояниях. Использование других технических приемов позволяет определить деформации из соответствующих измерений напряженного состояния. Следовательно, оказывается возможным изучить внутренние напряжения в объекте без разрезания его на части, с целью нивелировать напряжения (снизить их до нуля). Сильные градиенты напряжений и высоко локализованные напряжения могут быть изучены с помощью рентгеновских лучей, если пучоклучей попадает только на небольшую площадь образца [55].
Из-за ограниченности глубины проникновения в металл рентгеновских лучей метод обнаруживает только деформации на поверхности и на очень небольшой глубине под ней. Поэтому напряженное состояние в данном случае является, как правило, двухосным, так как напряжения, перпендикулярные поверхности, приняты равными нулю на свободной поверхности. При изучении трехосного напряженного состояния, существующего в объеме объекта, применяются специальные технические приемы, с помощью которых представление о величине этих напряжений может быть получено из серий измерений деформаций на поверхности образца, подвергнутого послойному стравливанию, разрезке или шлифовке.
Если метод применим к обычным поликристаллическим металлам, то в случае крупнокристаллических образцов встречаются затруднения, связанные с зернистостью дифракционной картины; эта зернистость может быть уменьшена за счет применения приспособления, качающего образец или пленку. Другие трудности возникают, когда дифрагированные лучи являются широкими и слабыми; такие лучи наблюдаются при дифракции от холоднодеформированных металлов или металлов, находящихся в высокопрочном состоянии. Точность порядка 20 МПа может быть легко достигнута в случае отожженной (мягкой) стали, но при широких дифракционных линиях, получаемых на упрочненной стали, достижение такой точности очень сложно.
Для образцов, в которых имеется градиент напряжений, наблюдаемые 20 величины не являются характеристикой поверхности, но представляют средневзвешенные значения для объема, в который проникает рентгеновский луч. Последний может проникать под поверхность на расстояния порядка нескольких сотых миллиметра для материалов на алюминиевой основе при Со Ка -излучении или нескольких тысячных миллиметра для стали при Сг Ка -излучении. Поверхностное проникновение рентгеновских лучей требует особого рассмотрения с учетом качества подготовки поверхности. На поверхности стального образца после механической обработки, например, могут действовать напряжения, которые отличаются от напряжения во внутренних слоях, причем на величину до » 400 МПа, если не удалены нарушенные механической обработкой слои металла химическим или электролитическим способами [55].
Известно, что даже натирание поверхности резиновым ластиком, содержащим абразивные частички, создает напряжения « 70 МПа. В стальном образце толщина слоя, который поглощает 2/3 дифрагирующей интенсивности Сг Ка -излучения, изменяется с углом ф. Так, для 20 = 128° толщина слоя при ф = 450,0026 мм; для 20 = 156° она соответственно составляет 0,0057 и 0,0028 мм. Здесь ф — угловая координата эллипсоида деформаций.
Поверхностное проникновение может быть использовано при изучении градиента напряжений (например, когда напряжения возникают от поверхностного шлифования). В стальных образцах, имеющих хорошо приготовленную поверхность, редко напряжения изменяются значительно на расстоянии, отвечающем глубине проникновения рентгеновских лучей; однако если это необходимо, могут быть внесены поправки и в этом случае.
Рентгеновским методом измеряют не только усредненные по объему напряжения в области образца, облучаемого рентгеновским пучком. Следует обратить внимание на тот факт, что когда полоска металла пластически деформируется при растяжении, а затем разгружается, наблюдаемый сдвиг дифракционных пиков указывает на наличие макроскопических сжимающих напряжений на поверхности или в небольшой области около нее. Эти напряжения не обнаруживаются при других способах определения напряжений, включающих механические методы. Таким образом, удаление некоторого слоя с поверхности образца не вызывает изгиба оставшейся части.
Полагают, что различные факторы определяют этот эффект; в различных материалах эти факторы могут отличаться по степени их значимости. Зерна на поверхности могут иметь более низкий предел текучести, чем зерна, расположенные внутри, и таким образом могут быть пластически деформированы при приложении определенной нагрузки, тогда как зерна внутри образца деформированы упруго. Зерна или субзерна, которые в наименьшей степени искажаются в процессе пластической деформации (или имеют более низкую плотность дислокаций), наиболее важны при определении кажущегося положения дифракционного пика; более размытое распределение от других пиков может быть проигнорировано в оцениваемых положениях пиков. Строение областей зерен около границы или субграницы может отличаться от строения внутренних областей.
Отмеченные выше особенности рентгеновского метода определения напряжений не уменьшают его полезности для практических приложений. Можно, например, рекомендовать применять усредненные данные, полученные при использовании различных длин волн. При этом отмечается большее приближение к значениям истинных макроскопических напряжений, чем в случае измерений по одной длине волны.
