產品樣本應用文章
齒輪廣泛應用于各種設備和機器，如汽車、飛機、機床等。通過改變齒數和模數來調節齒輪的轉速和轉矩，以滿足不同的機械系統要求。 本文使用GNR公司STRESS-X殘余應力分析儀對車用軸承附件齒輪進行測試，以評估齒輪使用情況。
固溶溫度對TC4鈦合金殘余應力的影響如圖所示，從圖中我們明顯發現，在Tβ以下時，隨著固溶溫度的升高，殘余應力也緩慢增加；但是超過Tβ時，殘余應力則又下降了，甚至低于945°C固溶后得到的組織的殘余應力。由于這些殘余應力都是在應力松弛以后測得的，而且這些試樣的固溶溫度差別相對于九百多度的固溶溫度來說可以忽略，它們固溶以后的冷卻方式也相同的，所以認為945°C、955°C和965°C固溶后得到的雙態組織的殘余應力的差別主要是由于組織內部相的變化造成的。這三種組織的殘余應力與975°C固溶后得到的魏氏組織的殘余應力差別，不僅與組織內部的相的差別有關，還與不同組織的抗應力松弛能力不同有很大關系。 三種雙態組織由于高溫時不穩定的β相比例不同，所以在隨后空冷過程中，由高溫β相轉變成α相和低溫β相量也不同。而α相具有密排六方結構，致密度為0.7405，β相為體心立方結構，致密度為0.6801。所以在這個轉變過程中必然會導致晶格畸變。空冷又沒有爐冷時那樣充足的協調組織變化的時間，同時，初生α相在這個轉變過程中不發生變化，其阻礙了組織的協調。從而導致了這三種條件下得到的組織的殘余應力的不同。 975°C固溶后得到的魏氏組織的殘余應力之所以降低了，一方面因為在低溫條件下，其應力松弛能力強于雙態組織，另一方面其組織完全是由高溫β相轉變成α相和低溫β相，沒有初生α相的阻礙。所以此組織的殘余應力較低。
Ｘ射線衍射技術是目前研究物質微觀結構有效的無損檢測方法之一，在物理、化學、材料科學等領域中都得到了廣泛應用。多晶材料在經過形變、相變等過程后，材料內部晶粒會發生晶格應變，晶格應變會使晶面間距發生變化。根據布拉格方程可知，晶面間距的變化會導致衍射角度的變化，通過測定特定晶面在不同方位角的衍射角變化，可以計算出材料的應力。 在相同測試條件下，對不同晶粒尺寸的材料進行測試，晶粒尺寸較大的材料會出現較大的線性偏差，導致其殘余應力的測試結果不可靠。因此，不同晶粒尺寸的材料需選用合適的測試參數。 利用Ｘ射線衍射法測試材料的殘余應力，需要足夠多的晶粒參與衍射，才能得到準確、可靠的測試結果。增加參與衍射晶粒數目的方法有增大準直管直徑法和搖擺法。準直管直徑的大小決定了射出的Ｘ射線數量，增大準直管直徑可以直接增大Ｘ射線照射在材料表面的面積。搖擺法是在探測器接收衍射信號的過程中，使Ｘ射線管和探測器在試樣表面法線與應力測試方向所構成的psi平面內左右搖擺一定的角度，獲得的衍射峰形是在擺動范圍內的各個角度下獲得衍射峰線性疊加的結果。 衍射峰曲線是由材料表面參與衍射的晶粒累加而成。細晶材料的晶粒尺寸較小，在測試面積相同的條件下，參加衍射的晶粒較多，衍射峰峰形飽滿完整且對稱性好，從而使其測試結果的線性偏差較小。較大晶粒材料在測試面積相同的條件下，參與衍射的晶粒較少，衍射晶面法線在空間不呈連續分布，無法得到挑高飽滿的衍射峰峰形，對定峰的準確性有一定影響，從而影響數據擬合的準確性。 準直管直徑和擺動角度對無應力粉末及細晶材料的殘余應力測試結果影響不大，對較大晶粒材料的殘余應力測試結果影響較大；增大準直管直徑和采用擺動法可以增加參與衍射的晶粒數量，提高衍射峰的強度，有利于擬合計算；采用較大的準直管直徑并增大擺動角度，可以改善較大晶粒材料衍射峰峰形及對稱性，提高殘余應力測試結果的準確性。
1. α相的化學成分 α相是一種穩定的相，占據了鈦合金中較大的比例，通常占70%~95%。它的化學成分與普通金屬鈦類似，主要包括鈦、氧、碳、氮、氫等元素。其中，鈦是主要元素，含量通常在80%以上，而氧、碳、氮、氫等元素的含量很低，不足0.5%。這些元素既可以存在于鈦原料中，也可以來自生產過程中的雜質和摻雜。 鈦合金中的氧含量是比較重要的參數之一，它對材料的強度、韌性、耐腐蝕性等性能有著明顯的影響。通常用氧含量《的百分比來描述鈦合金的氧化程度，例如Ti-6Al-4V合金的氧含量為0.12%~0.25%。 碳、氮等元素的含量也會影響鈦合金的性能，特別是材料的硬度和韌性。因此，針對不同的應用領域和要求，可以通過控制化學成分來實現鈦合金的優化設計。例如Ti-6Al-4V合金就是通過添加6%的鋁和4%的釩來提高強度和耐熱性能的。 2. β相的化學成分 β相是一種高溫相，形成于800℃以上，相對α相而言相對不穩定，所以在實際應用中較少單獨使用。但β相的加入能夠提高鈦合金的強度、硬度、熱穩定性和抗疲勞性能，因此常用于合金設計中。β相的化學成分與α相有所不同，主要取決于其添加的合金元素和處理工藝。 β相常見的合金元素有鋁、釩、鉻、鋯、鉭等，它們可以與鈦形成穩定的亞化合物，并協同作用于材料的性能。例如，添加5%的鋁和2.5%的釩可以得到高強度、高韌性的β型鈦合金，以IMI834合金為例，其化學成分為Ti-6Al-4V-2.5Fe，其中鋁、釩、鐵三種元素占據了合金中的大部分。 在β相鈦合金的制備過程中，通常需要進行熱處理或快速冷卻等加工工藝，以控制其化學成分、微觀組織和性能。這些工藝的選擇和優化，對β相鈦合金的性能提升和應用持久性都有著重要的意義。 3. 總結 鈦合金α相和β相的化學成分有著一定的區別。α相是一種穩定的相，其主要的化學成分是鈦、氧、碳、氮、氫等元素，含量分別在80%,不足0.5%之間。β相則常見于添加合金元素的鈦合金中，其化學成分取決于合金元素的種類和含量，通常包括鋁、釩、鉻、鋯、鉭等。兩種相之間的相變溫度約為880℃,在鈦合金的制備和加工中，需要對其化學成分、微觀組織和性能進行充分的控制和優化，以滿足不同的應用需求。 鈦合金有α相β相兩種基本相，鈦合金的性能在很大程度上取決于α相和β相本身的性能及其在合金中的形態、大小、分布和所占比例。β相的強度高于α相的強度，且滑移系統較多，更容易承受塑性變形，高強鈦合金通常是以β相為基的合金。α相的耐熱性、抗蠕變性能均比β相好，高溫鈦合金通常為α合金和近α合金。 鈦合金的基本組織為以α-Ti為基的α固溶體和以β-Ti為基的β固溶體，α合金、近α合金和許多α+β合金的基體為α固溶體，β合金的基體為β相。
小試樣與大試樣由于質量和體積有很大變化，熱處理時在熱形變上就會有所差異，而且由于熱容量大小同也會造成差異。 試樣形體大小不一樣，傳導熱的速度是不一樣的，即熱處理的過程肯定是有區別的。主要是熱傳導速率問題，表現在奧氏體化過程，和之后的冷卻過程，試樣的大小，體積會影響熱傳導的速率，導致加熱和冷卻后晶粒的大小，基體力學性能及第二相的大小，分布都可能不同，還有內應力的不同。 導熱速率會造成差異，加熱過程由于薄厚試樣溫度達到環境溫度時間不一樣 也就是升溫速度不一樣，材料溫度升到環境溫度后，組織變化應該是一樣的，在冷卻過程也是小試樣和大試樣降溫速度不一致，如果組織受降溫速度影響明顯 那么組織也會有差別。 加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制，且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。 金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。 加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度 ，是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。 冷卻也是熱處理工藝過程中必要的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。
與其他非鐵磁性材料相比，鐵磁性材料的物理性質有很大的不同。它具有很高的磁導率，對樣品進行磁化時，樣品表面會泄漏磁場，在低頻外磁場作用下會產生微渦流信號，上述物理現象歸因于鐵磁材料自發磁化形成的磁疇結構，每個磁疇就像一塊天然磁鐵。鐵磁材料內部存在許多小的磁疇結構，每個疇區包含大量的原子，同一疇區內的原子具有相同的磁矩方向，而相鄰疇區內的原子具有不同的磁矩方向，它們由磁疇壁分開，磁疇的磁矩方向各不相同，但是相互抵消，總和為零，整個鐵磁材料對外不顯示磁性。因此，對于鐵磁構件的應力檢測，出現了許多的其特有的檢測手段。相對于非鐵磁材料而言，鐵磁材料的應力檢測方法更加種類繁多，越來越受到人們的廣泛關注，在管道運輸、軌道交通、橋梁工程等在役鐵磁構件的承受應力評估中應用廣泛。 鐵磁性材料的磁疇在外磁場的作用下發生運動，引起材料的矯頑力、磁滯回線、磁聲發射和巴克豪森噪聲等宏觀磁性能的變化。這些信號與材料結構和應力的變化之間聯系緊密，密切相關。常用的磁無損檢測技術主要有微觀磁無損檢測技術和宏觀磁無損檢測技術。微觀磁無損檢測技術主要有:磁疇動態特性；宏觀磁無損檢測技術有磁滯回線、磁記憶、漏磁、磁聲發射、巴克豪森噪聲和磁滯膨脹。微觀的動態特性決定了宏觀磁響應，宏觀磁信號是許多微觀域運動的綜合結果。
1. 疇壁（domain wall） 疇壁是一種物理現象，它在磁場中尤為重要。具體來說，疇壁指的是相鄰磁疇之間的原子磁矩不是突然轉向，而是沿著一個磁矩方向逐漸變化的過程形成的邊界。在這個過程中，原子磁矩不會平行排列，并且會偏離易磁化方向，導致交換能和各向異性能的增加。這樣的結構有助于減少因自發磁化引起的能量損失。 在鐵磁材料中，疇壁的存在是由于短程強交換作用和長程靜磁作用的共同作用。磁疇的形成需要付出一定的代價，因為破壞了磁矩的兩邊平行排列，從而增加了交換能。為了減少這種能量的增加，磁疇之間的原子磁矩會在疇壁上逐漸變化，而不是直接轉向。這樣，磁疇分割得越來越細，需要的疇壁數量也就越多，總的是疇壁能越高。最終，系統達到的總自由能是很低的。 疇壁的厚度取決于交換能和各向異性能的平衡。不同的磁疇之間的磁化方向可能不同，因此疇壁可以分為180°壁和90°壁。磁疇的寬度一般在10^-2至10^-5 cm之間。 此外，疇壁的概念也被引入到了其他領域，例如在鐵電體中，疇壁是指兩個電疇之間的界壁。在鐵電材料中，疇壁是用來描述具有不同極化方向的區塊之間的分界的術語。 綜上所述，疇壁是在磁場或鐵磁材料中，由磁疇分裂形成的邊界，它是由于磁矩在不同方向上的逐漸變化而產生的，并且在鐵電體中，疇壁用來描述電疇之間的界面。 2. 布洛赫壁（Bloch wall） 布洛赫壁是一個德語單詞，在英語中也被廣泛使用，通常被翻譯為“障壁”、“阻塞”或“屏障”。 在鐵磁材料中，布洛赫壁是晶體材料內的一個特定結構。它描述了磁矩在大塊晶體材料內部的過度方式。在布洛赫壁中，磁矩的過度方式始終保持與疇壁平面平行，因此，在疇壁面上不會出現自由磁極，這有助于防止退磁場產生并維持疇壁的能量極小。然而，晶體的上下表面會因磁矩的存在而產生磁極。 3. 磁巴克豪森跳躍（magnetic Barkhausen jumps） 鐵磁材料在外部交變磁場的作用下，隨著外磁場的增大，磁疇壁會多次發生跳躍式不可逆移動，材料內部產生非連續性的電磁脈沖，這種現象稱為巴克豪森跳躍，也稱為磁巴克豪森噪聲。 巴克豪森法殘余應力檢測儀可以對材料的殘余應力分布進行快速檢測和鑒別。作為X射線衍射法的補充，對大量樣品的快速鑒別效率極高，GNR公司現已推出MagStress5c 巴克豪森應力檢測儀。
鋼等鐵磁材料及其加工構件具有優良的硬度、強度及韌性等機械性能，被廣泛應用于橋梁建筑、能源運輸、交通工程等一系列關乎國民生計的重要領域。 鐵磁構件長時間暴露在比較糟糕的環境中，如超高溫度、較高負荷等惡劣環境下，容易使得材料承受能力變弱甚至產生裂紋等。無損檢測是評估材料性能的重要技術手段，能及時發現材料缺陷，保證安全。裂紋是導致材料失效的重要原因之一，被稱為“工業癌癥”。鐵磁構件在長期載荷下，局部由于受力不均出現殘余應力以及應力集中，最終導致裂紋的產生，使得構件變形斷裂引發事故。如圖a為斜拉索大橋長期超荷下，導致斜拉索斷裂，橋面坍塌。圖b為鋼軌長時間應力集中，得不到釋放，導致鋼軌變形，危及行車安全。圖c為天然氣輸送管道長期高壓下，產生裂紋，導致天然氣泄漏，發生火災。歸根到底，應力是導致鐵磁材料性能退化，產生缺陷的重要因素。可通過應力檢測對構件材料的工作情況進行預判。 圖a 拉索橋長期載荷導致坍塌 圖b 應力集中導致鋼軌變形 圖c 長期高壓導致天然氣管道泄漏 如何檢測鐵磁材料構件的微觀缺陷、應力狀態和疲勞狀態并預測剩余壽命是工程應用中的一個比較棘手的問題。應力無損檢測技術是可以解決這一問題的重要技術手段。一方面，要判斷應力集中的位置；另一方面，它可以用來分析被評價構件的狀態并預測其發展趨勢并進行測量，進行安全評價，發現不安全地區，以便及早發出警報。 巴克豪森法殘余應力檢測儀可以對材料的殘余應力分布進行快速檢測和鑒別。作為X射線衍射法的補充，對大量樣品的快速鑒別效率極高，GNR公司現已推出MagStress5c 巴克豪森應力檢測儀。
國外標準 X射線法是由俄國學者于1929年提出。 20世紀初，人們就已經開始利用X射線來測定晶體的應力。 1961年，德國的E.Mchearauch提出了X射線應力測定的sin2ψ法，使應力測定的實際應用向前推進了一大步。 然而遺憾的是，隨著殘余應力測試設備制造技術的快速發展，行業缺乏相關標準，缺少足夠的設備檢定技術依據，導致測試方法無所適從，各實驗室很難進行測試數據的比對和能力驗證，很難具有公信力。 1971年，美國汽車工程師學會發布第一個行業標準SAE J784a "Residential Stress Measurement by X-ray Diffraction"； 隨后1973年，日本材料學會頒布第一個國家標準JSMS-SD-10-73" Standard Method for X-ray Stress Measurement"。 為反映新技術進步和成熟的測試方法，歐盟標準委員會(CEN)于2008年7月4日批準了新的X射線衍射殘余應力測試標準 EN 15305-2008"Non-destructive Testing- Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction"，該標準于2009年2月底在所有歐盟成員國正式施行。 該標準對X射線殘余應力測試的技術和方法等諸多方面進行了更新，解決了上述的行業問題，全面、細致系統闡述了X射線衍射法殘余應力分析的原理、測定方法、材料特性、儀器選擇和常見問題處理等方面的內容。新標準也因此獲得了業界的一致認可。 與之相呼應，美國試驗材料學會(ASTM)也于2010年7月發布了最新的美國標準版本ASTM E915-10 "Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement"。 之后，歐美國家圍繞X射線衍射法，頒布了一系列檢測標準，為行業發展樹立了標桿，X射線行射法測定殘余應力得到了越來越廣泛的應用，技術手段也日益成熟。 國內標準 縱觀國內，我國最早的X射線應力測定方法標準GB/T 7704-1987，發布于1987年，其主要內容采標自日本標準。 受限于當時的軟件水平、測試技術、探測器制造技術和數據采集技術，GB/T 7704-1987具有許多不足： 首先，其內容相對簡單，術語和定義僅6條，定峰方法只有半高寬和拋物線兩種，整個標準只有7頁； 其次，其應用范圍窄，僅適用于鐵素體鋼系和奧氏體鋼系某一給定方向的平面應力； 另外，只能采用CrK α 和CrK β 射線源，采用計數管掃描尋峰，尋峰方式工作效率較低。 GB/T 7704-2008是GB/T 7704-1987的修訂版，經過20 多年的發展，設備制造技術有了較大提升，方法也有了較大變化，當時歐盟標準尚未發布，但SAE(美國汽車工程師協會)規范已能檢索到。考慮到國內設備的實際情況，GB/T 7704-2008對設備并沒有提高要求，零應力檢定仍然保持和GB/T7704-1987的相同，但是在術語定義、定峰方法、測試方法等方面作了擴展。 GB/T 7704-1987及GB/T 7704-2008，其技術要求過于簡單，技術水平較低，主要根據當時我國應力測試設備的制造現狀而制定，無法及時和國際先進技術同步。因此，2012年，在國家無損檢測標委會的直接推動下，國家標準化委員會批復同意啟動了GB/T7704-2008的修訂工作。最終于2015年12月完成了標準的修訂工作，即現行的GB/T 7704-2017。 最新修訂的GB/T 7704中增加了大量術語和定義(三維應力、設備、方法相關)，使得過去一些含糊不清的描述表達變得規范化。為了使標準的應用更為廣泛，新國標中增加了三維殘余應力的理論計算方法以及具體測定流程，以幫助廣大X射線應力測試工作者正確理解和執行標準，為獲得比較可靠的試驗結果提供了必要的理論解惑和技術支持。
磁彈技術是在1919年發現的一種物理現象的基礎上發展而來的。 鐵磁性材料是由許多小的像條型磁鐵狀的磁性區域組成的，這種磁性區域叫做磁疇；每個區域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。磁場會引起磁疇壁來回的移動，當磁疇的一側磁疇壁收縮而另一側的磁疇壁增長時會導致磁疇有序的移動。磁疇的變化會使磁化總量發生改變。 用電磁線圈靠近樣品，磁疇壁移動時產生的磁變化量會使線圈中產生一個脈沖電流。1919年巴克豪森教授首先發現了這一現象。他證明了這種磁化進程，并用磁滯曲線的形式描繪了出來。事實上這個曲線并不是連續的，是由外磁場導致磁疇移動而產生的許多小的、突然的步驟組合而成。當由磁疇運動而產生的電流脈沖疊加到一起時，一種像噪聲一樣的信號就產生了，這就是巴克豪森信號。 大多數材料中巴克豪森信號的功率譜從磁化頻率開始可達到250kHz。在材料內部傳遞時巴克豪森信號的衰減是指數級的，主要取決于由磁疇壁移動產生的電磁場所生成的渦電流的衰減程度。衰減范圍決定了可獲取信息的位置深度（測量深度）。影響深度的主要因素有： ? 噪聲信號可分析的頻率范圍 ? 被測材料的可導性和滲透性 實際應用中測量深度一般在0.01到1.5毫米之間。 兩種重要的材料特性會極大的影響巴克豪森信號的強度。 利用巴克豪森信號的磁彈法在實際應用中可以分為三類： 1、評估殘余應力，提供微觀組織結構變化的情況并進行相應控制。 2、評估微觀組織結構變化情況，提供應力等級并進行相應控制。 3、檢測含有應力、微觀組織結構變化的缺陷。 巴克豪森法殘余應力檢測儀可以對材料的殘余應力分布進行快速檢測和鑒別。作為X射線衍射法的補充，對大量樣品的快速鑒別效率極高，GNR公司現已推出MagStress5c 巴克豪森應力檢測儀。
