在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，一些殘余應(yīng)力可以通過一些技術(shù)方法進(jìn)行有效的控制以制備出高質(zhì)量的零部件，即使是處在一些比較嚴(yán)酷的生產(chǎn)環(huán)境中。
飛機(jī)在不同的生產(chǎn)階段都必須達(dá)到相應(yīng)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。殘余應(yīng)力測(cè)量有助于驗(yàn)證一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)，并確保其是否得到了正確、有效的實(shí)施。
近年來，提高飛機(jī)燃油使用效率的需求一直促使航空航天工業(yè)開發(fā)出更加堅(jiān)固、質(zhì)量更輕的航空材料，同時(shí)延長(zhǎng)部件的使用壽命以降低相關(guān)的經(jīng)濟(jì)成本。但是，我們都知道這些新設(shè)計(jì)、新材料和新工藝在使用之前都需要得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證。X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被證明可以為航空航天界使用的鋁合金的先進(jìn)設(shè)計(jì)和加工提供有力的指導(dǎo)價(jià)值。本文講述了一些關(guān)于有效利用X射線衍射測(cè)量技術(shù)來提高航空航天應(yīng)用中使用的鋁合金材料質(zhì)量的相關(guān)信息。
為什么要測(cè)量殘余應(yīng)力？
殘余應(yīng)力有時(shí)候是有益的（通常是壓縮應(yīng)力），有時(shí)候又是有害的（通常是拉伸應(yīng)力），并且這些應(yīng)力是影響許多零部件使用壽命的關(guān)鍵因素之一，特別是那些經(jīng)常經(jīng)受疲勞和/或在應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境中使用的部件。識(shí)別一些新設(shè)計(jì)或工藝中的應(yīng)力類型有助于制造出更加出色的產(chǎn)品。現(xiàn)在，值得慶幸的是，這些應(yīng)力可以在產(chǎn)品制造過程中從有害類型轉(zhuǎn)化為有益類型。
X射線衍射技術(shù)是一種可用于檢查和比較零件中應(yīng)力的非破壞性方法。測(cè)量可以在處理的開始和結(jié)束以及在每個(gè)步驟之后進(jìn)行。這些測(cè)量也可以在規(guī)定的維護(hù)間隔之前、期間和之后使用飛機(jī)上的便攜式設(shè)備進(jìn)行。
加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力：
組件中的終應(yīng)力是從初始材料形成到加工到終產(chǎn)品階段的應(yīng)力匯總。在生產(chǎn)及使用的各個(gè)階段，這些應(yīng)力必須平衡。任何時(shí)候產(chǎn)生塑性流動(dòng)（塑性變形）都會(huì)導(dǎo)致零件中殘余應(yīng)力的狀態(tài)發(fā)生變化。塑性流動(dòng)是由制造過程中對(duì)零件進(jìn)行的一些加工操作引起的。鑄造，機(jī)械加工，磨削，焊接，熱處理和表面強(qiáng)化都是制造工藝中改變殘余應(yīng)力的典型例子。
在特定制造階段使用的參數(shù)也會(huì)改變終的合成應(yīng)力。例如，濫用和常規(guī)研磨可能導(dǎo)致表面處形成輕微的拉伸應(yīng)力和中性狀態(tài)
在部件的使用過程中，這些低表面應(yīng)力可能不會(huì)對(duì)部件產(chǎn)生太大的不利影響。問題是兩種研磨手段都會(huì)在表面下方產(chǎn)生高拉應(yīng)力。如果在表面下方拉伸應(yīng)力深度處發(fā)生高加載應(yīng)力，則部件可能由于載荷而破裂并且殘余應(yīng)力組合超過材料的屈服應(yīng)力。此外，表面的損壞（例如工具的無意切口或外物損壞）可能會(huì)使拉伸應(yīng)力暴露于表面并導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此，在航空航天部件中，通常優(yōu)選溫和的研磨方案。溫和的研磨參數(shù)通常會(huì)在表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，在表面更下方會(huì)產(chǎn)生稍大的壓縮應(yīng)力。在表面處和表面下方的這些壓縮應(yīng)力通常會(huì)在產(chǎn)品的使用期間起到保護(hù)部件的作用，進(jìn)而改善部件的使用壽命。
制造過程中的焊接會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的產(chǎn)生，特別是在焊縫的底部或熱影響區(qū)域（HAZ）。焊接過程一般是通過熔化材料并使熔融的材料固化來連接兩塊固體材料，當(dāng)焊縫凝固時(shí)，它會(huì)試圖收縮，但受到相鄰固體材料的約束。這種約束可能會(huì)導(dǎo)致焊縫或熱影響區(qū)域中產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力時(shí)，需要采取步驟去除有害應(yīng)力并用良好的壓縮應(yīng)力來代替它們。
通常，人們會(huì)在制造期間或之后使用表面增強(qiáng)工藝來改善鋁部件的殘余應(yīng)力狀態(tài)。比如，隔板上的鉚釘孔會(huì)依靠冷加工工藝來防止開裂：一個(gè)過大的芯棒會(huì)被迫進(jìn)入鉚釘孔，使孔邊緣和周圍材料進(jìn)入壓縮應(yīng)力狀態(tài)。在安裝鉚釘之后，孔將保持壓縮應(yīng)力狀態(tài)，從而限制鉚釘邊緣下方形成裂縫。
其他表面增強(qiáng)技術(shù)，例如噴丸處理，超聲波沖擊處理和激光沖擊噴丸等會(huì)在表面和表面下不同深度處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。這些工藝已被證明可顯著提高部件的使用壽命——特別是在疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境中使用的零部件。
該儀器可以快速、輕易地測(cè)量各種材料的殘余應(yīng)力，包括使用銅輻射測(cè)量鋁合金等材料。電子技術(shù)的進(jìn)步有助于制造更小、更緊湊的x射線系統(tǒng)。便攜式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)在也已經(jīng)可以在制造層上快速安裝或在飛機(jī)上使用，總的測(cè)量時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。
監(jiān)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中以及生產(chǎn)之后的應(yīng)力：
X射線衍射初用于測(cè)量材料的殘余應(yīng)力（1925），但X射線管和探測(cè)器的進(jìn)步已經(jīng)*改變了整個(gè)工業(yè)行業(yè)。以前冗長(zhǎng)的破壞性測(cè)試已被快速的非破壞性測(cè)量所取代，這些測(cè)量還可以提供額外的微觀結(jié)構(gòu)信息。
隨著位置敏感探測(cè)器的出現(xiàn)和廣泛使用，該技術(shù)在20世紀(jì)70年代取得了巨大的進(jìn)步。這些探測(cè)器可以在大型復(fù)雜幾何零件上快速收集數(shù)據(jù)而無需切片處理。 X射線衍射系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)可以制造得緊湊和小巧、便攜。 X射線管技術(shù)也取得了很大的發(fā)展，包括一些小型低功率管的出現(xiàn)及使用甚至使其已經(jīng)可以在鉛屏蔽柜外被安全使用?，F(xiàn)在，可以在制造過程的每個(gè)步驟中以及使用壽命結(jié)束之前、期間和之后對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行檢測(cè)。
今天，人們已經(jīng)可以準(zhǔn)確確定在制造過程的哪個(gè)階段產(chǎn)生了有害應(yīng)力，即使在通常產(chǎn)生有益應(yīng)力的某個(gè)制造步驟中出現(xiàn)問題，也能被快速檢測(cè)和糾正。這種創(chuàng)新可以在制造過程的早期發(fā)現(xiàn)可能有缺陷的部件并有效縮短識(shí)別問題的時(shí)間和重新制造部件的成本。一些創(chuàng)新公司能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控組件中的應(yīng)力，以此了解何時(shí)制造設(shè)備需要維護(hù)甚至更換刀具等。同樣，在制造過程早期識(shí)別潛在問題的經(jīng)濟(jì)影響也是*的。
在制造過程中測(cè)量殘余應(yīng)力的另一個(gè)好處是能夠改變某些過程的順序，以便使成品部件中具有理想的殘余應(yīng)力狀態(tài)。許多熱處理過程可以緩解或消除零件的應(yīng)力，如果在高應(yīng)力操作之前可以進(jìn)行熱處理，則可能更好地減少或消除部件中的翹曲現(xiàn)象。
后，還可以使用表面增強(qiáng)技術(shù)來減小殘余應(yīng)力的影響。如果制造過程中產(chǎn)生了中性或拉伸應(yīng)力，則可以在部件中引入有益的壓縮應(yīng)力。還可以基于所需的理想應(yīng)力狀態(tài)來選擇合適的表面增強(qiáng)處理技術(shù)。例如，可以使用常規(guī)噴丸強(qiáng)化來誘導(dǎo)相對(duì)表面的壓縮應(yīng)力。如果需要在表面深處施加壓應(yīng)力，則可能需要超聲波沖擊處理或激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。
一旦部件投入使用，應(yīng)力可能會(huì)有所消退。在日常維護(hù)期間可以檢查承受高負(fù)載應(yīng)力的零件，以查看是否仍然存在有益應(yīng)力。由于加載應(yīng)力和殘余應(yīng)力是相加的，因此可以就地檢查零件以評(píng)估是否需要維修或更換零件。使用X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力可對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響。如果零件仍然保持有益應(yīng)力，則現(xiàn)在不再需要從飛機(jī)上拆下零件，檢查零件和重新安裝零件的成本。還可以檢查修復(fù)的部件以確保其維持有益的應(yīng)力類型。
測(cè)量技術(shù)的進(jìn)展：
對(duì)于測(cè)量飛機(jī)上常用的鋁部件中的殘余應(yīng)力而言，與使用鉻輻射相比，使用銅輻射（用于更深穿透）的較新技術(shù)顯示出具有更好的測(cè)量精度。X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)量的局限性包括大晶粒尺寸和優(yōu)選的晶粒取向問題等。銅X射線可以大限度地減少這些影響，而且，使用銅輻射時(shí)測(cè)量角度也更高，這極大的提高了測(cè)量精度并允許測(cè)量形狀更加復(fù)雜的幾何零部件。
總結(jié)：
在制造過程中有效控制殘余應(yīng)力，可以幫助人們即使在惡劣環(huán)境中也能持久的生產(chǎn)中的產(chǎn)品。X射線衍射系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步可以在產(chǎn)品制造期間和部件使用壽命期間對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行快速測(cè)量。而且，這類已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，例如可以在鋁合金中對(duì)航空航天工業(yè)至關(guān)重要的一些關(guān)鍵部件進(jìn)行的測(cè)量。在這些部件中施加有益應(yīng)力并在制造期間檢測(cè)潛在的有害應(yīng)力可以進(jìn)一步產(chǎn)生質(zhì)量更加優(yōu)異的部件，同時(shí)降低成本。更值得一提的是，這些部件還可以在維修期間進(jìn)行監(jiān)控，以提高產(chǎn)品的安全性和可靠性。
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