分享：再制造工件表面的残余应力分布

摘 要:通过电镀和焊接两种方式模拟了工件的再制造过程,研究了电镀处理后工件表面残余 应力的变化规律,同时研究了采用 X射线衍射法和压痕应变法对焊缝区进行残余应力测试结果的 差异.结果表明:随着镀铬层厚度的增加,镀层残余应力先增大后减小,后又增大;采用 X 射线衍 射法和压痕应变法测试得到的焊缝两侧的残余应力变化总体趋势是一致的,但由于测试原理的不 同,在不同部位两种方法的测试结果存在不同大小的偏差,且该差异呈现随机性. 

关键词:再制造;电镀;焊接;残余应力;X射线衍射法;压痕应变法 

中图分类号:TG１７８ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８８７Ｇ０４

再制造亦称绿色再制造技术,是先进制造技术 的一个重要组成部分和发展方向,被誉为２１世纪极 具潜力的新型产业,再制造是统筹考虑全生命周期 的系统工程.再制造针对损坏或将报废的零部件, 在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上,采用先 进的成型技术进行再制造工程设计、修复和改造,使 经过修复处理的再制造产品的性能和质量达到甚至 超过原零部件的水平.再制造技术充分挖掘制造业 产品的可利用价值,让能源和资源接近“零浪费”,并 能为社会创造更多的价值[１Ｇ３].再制造加工技术门 类十分广泛,总体上可分为３类:加法再制造、减法 再制造和替换法再制造.其中镀铬作为加法再制造 修复的一种重要手段,不仅修复了再制造产品的尺 寸,而且镀铬层具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐硫化 物、耐有机酸、顺磁、不易变色、长期保持光泽等特 点[４].但镀铬层如存在残余应力,对镀层的性能如 孔隙率和疲劳强度等会有很大的影响[５].残余应力 是在没有外力或外力矩作用的条件下,构件或材料内部存在并且自身保持平衡的宏观应力[６].残余应 力的测定,对于确保工件的安全性和可靠性有着非 常重要的意义[７].目前残余应力的测定方法很多, 主要有钻孔法、X射线衍射法、磁性法、超声法、压痕 法等[８].鉴于这些方法的应用都有一定的局限性, 残余应力测试技术至今仍是一个有待深入研究的课 题[９].笔者所在实验室在该检测领域目前配有 X 射线衍射仪和压痕应力仪两种残余应力测试设备. 其中:X射线衍射法是根据材料或制品晶面间距的 变化测定应力的,它是表面残余应力测定技术中为 数不多的无损检测方法之一,至今仍是研究得最广 泛、深入、成熟的内应力测定方法[１０];压痕应变法是 近年来国内外重点研究的课题,具有无损、便捷、精 度高等 特 点,特 别 适 用 于 在 现 场 对 原 板 进 行 测 试[１１].笔者分别采用这两种方法对４５钢再制造零 件进行了残余应力测试,并对两种方法的测试结果 进行了对比,通过对比了解了这两种残余应力测定 方法在测试再制造零件时的差异和关联,为日后检 测方法的选择提供技术依据. 

１ 试样制备与试验方法 

１．１ 试样制备 

试验材料为再制造工件常用材料４５钢,分成两 组,分别进行电镀铬处理和焊接处理来模拟常用的再 制造工艺.其中电镀铬处理的电解液成分如表１所 示,电镀工艺参数如表２所示,电镀时间为１~４．５h.

１．２ 残余应力试测 

采用 X射线应力仪对电镀铬层的残余应力进 行测试,分析研究不同电镀时间后镀铬层的残余应 力分布情况.分别采用 X 射线衍射法和压痕应变 法对焊接后的钢材进行残余应力测试,分析两者的 关联以及差异. 

１．２．１ X射线衍射法 

检测设备型号为 XＧ３５０A.基本检测步骤为对试样测试点进行表面处理,去除污物,调试设备,将 试样放入仪器中,置于测角仪回转中心上,关闭防护 柜横拉门,设定试验参数如表３所示,开始测试.

１．２．２ 压痕应变法

检测设备型号为 KJSＧ３P.基本检测步骤为对 试样测试点进行粗磨、抛光,贴上 BA１２０Ｇ１BA(１１)Ｇ ZKY 型应变片,切断应变片基片与压痕打击点处的 联系,连接应变片与应变仪,设置试验参数如表４所 示,对中打击位置,打击压痕. 

２ 试验结果与讨论 

２．１ 电镀时间对镀铬层残余应力的影响 

残余应力是影响镀层性能的重要因素,其测试 方法有很多种,目前基片变形法和 X 射线衍射法在 国际上应用最为广泛,其中基片变形法测量应变时 人为误差较大,故试验选用 X 射线衍射法测定镀铬 层的残余应力.结果表明,不同厚度镀铬层的残余 应力有明显差异,如图１所示.从图１可以看出,电 镀铬层的残余应力都大于零,表现为拉应力,且随着 镀铬层厚度的增加,残余应力的变化呈现忽大忽小 的变化趋势.

对其原因进行分析,该变化趋势是镀铬层的不 断累积 和 开 裂 过 程 造 成 的. 根 据 氢 化 物 分 解 理论[１２Ｇ１６],在电镀铬过程中,由于电流效率低使得副 反应产生大量氢,其中一部分氢进入镀铬层中.在 铬沉积初期,氢与金属镀层总是以六方晶格的铬氢 化物(Cr２H 到 CrH２)为主.该结构是不稳定的,当 晶粒长大到某一临界尺寸时,该铬氢化物容易分解 成更稳定的体心立方晶格,并释放出游离氢(常温时 即可分解),在该相变过程中体积大约收缩１５％以 上;另一方面,铬氢化物分解后,氢的扩散逸出也会 导致镀层体积减小而收缩.在这两方面共同作用 下,镀铬层内部产生较大的应力.随着晶粒的长大, 晶格扭曲变形越来越严重,镀层的残余应力也随之 增大,当镀层的残余应力达到临界点,大于镀层的抗 拉强度时,镀层发生开裂,形成微裂纹,部分残余应 力得以释放.随着电镀时间的继续延长,残余应力 的减小趋于稳定,随后又会循环之前的过程.

由此看来,经过电镀再制造处理后,工件表层多 少都会存在一定的残余拉应力,具有一定的危害性, 在使用中会存在一定的隐患,建议进行适当的去应 力处理. 

２．２ X 射线衍射法与压痕法测定表面残余应力的 差异分析 

焊接处理后的钢板如图２所示,从垂直于钢板 焊缝方向分别选取７个测试点,贯穿母材、热影响区 和焊缝,其中１,２,６,７四点处于母材位置,３和５两 点处于热影响区,点４则正好处于焊缝中心位置. 分别采用 X 射线衍射法和压痕应变法对这７个点 进行残余应力测试.

从图３可以看出,不管采用哪种测试方法,都能 发现在垂直于焊缝的方向上,残余应力的变化趋势 呈现抛物线形状,即母材上的残余应力基本保持在 零点左右波动,到达热影响区后残余应力逐渐增大 为拉应力,再往里在焊缝中心处,残余应力快速增加 至１８３．９MPa,与传统的认识相一致.

另一方面,对比两种测试方法,不难发现尽管测 得的残余应力具有相同的变化趋势,但是从每一个 残余应力数值上来看,两者之间的差异较大,最大的 差异甚至达到了１３１ MPa.对原因进行分析,主要 是因为两种方法的测试原理有所不同.X射线衍射 法测定残余应力的依据是根据弹性力学及 X 射线 晶体学理论.对于理想的多晶体,在无应力的状态 下,不同方位的同族晶面间距是相等的,而当受到一 定的表面残余应力σ 时,不同晶粒的同族晶面间距 随晶面方位及应力的大小而发生有规律的变化,从 而使 X射线衍射谱线发生位偏移,根据位偏移的大 小可以计算出残余应力.压痕法测定残余应力是通 过制造压痕产生一个额外的应力场,与原有应力场 互相作用使压痕周围的应力值发生改变,差值即为 应变增量,应变增量与残余应变之间存在一定的数 学关系,根据该关系即可计算出残余应力.由此可 见,X射线衍射法是基于微观结构变化的测试方法, 所测试的区域也是微区,往往都是微米级的区域,测 试深度也比较浅,测得的是浅表层的残余应力;相对 而言,压痕法的测试原理则比较宏观,无论是从测试 面积还是深度上都要比 X 射线衍射法来的大.对 于完全均匀的材料,从理论上说两种方法的测试结 果是一致的,但实际的工件不可能是均匀的,而且残 余应力与宏观应力不同,是一个变化起伏较大的量, 在材料内部同样不可能均匀存在,因此导致最终两 者的测试结果存在较大差异.当然两种测试方法也 各自有着很多影响准确测试的因素,同样会造成测 试结果的差异. 

３ 结论

(１)电镀铬层的残余应力均表现为拉应力,且 随着电镀时间的延长,镀层的残余应力呈现先增大 后减小,后又增大的变化趋势.

(２)采用 X 射线衍射法和压痕应变法进行残余 应力测试得出的４５钢焊缝区残余应力变体总体趋 势是一致的,但由于测试原理的不同,在不同部位测 得的残余应力存在不同大小的偏差,且该差异呈现 随机性. 

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文章来源——材料与测试网