AA2397铝锂合金残余应力检测实验与应用

6.2.2.1　实验条件及方法

同理，本节二维面探实验依旧采用Cr靶测试AA2397铝锂合金的表面残余应力。X射线衍射二维面探的靶材及测试条件如下：用Cr靶测量试样的（311）晶面，该晶面的衍射角为139.528°，管电压30 k V，管电流25 m A，照射面积直径为4 mm，X射线波长0.2291 nm。图6-8为X射线二维面探测器，用于测量试样表面残余应力以及合金织构的定性分析。图6-9为AA2397铝锂合金二维面探测试点示意图。

图6-8　X射线二维面探测器

图6-9　AA2397铝锂合金二维面探测试点示意图

图6-10a显示了二维探测面下的完整德拜环，其光路图如图6-10b所示，图中η表示衍射角的补角，表示产生衍射的衍射面的法线方向。

图6-10　二维面探X射线衍射残余应力测试光路图

在确定了测试角Ψ0后，就可以通过向量加法得到在测试面Ψ0上所有发生衍射的衍射面方向n（n1，n2，n3），其中

对于测试面上不同的α方向，都有其对应的衍射面，各个衍射面上的衍射角变化，对应于这些面上的应变。由弹性力学应变张量计算法则，不同方向上的应变可以由三个方向上的应变表示［12 15］：

平面应力下有γyz＝γxz＝0，将式（6-22）代入式（6-23）后得

将式（6-23）代入式（6-24）后，就可以得到X射线二维面探采用的残余应力分析方法，如式（6-25）所示：

二维面探仪有500个探测头，均匀分布在一个360°面上，通过每一个探测器测得的衍射角变化，就能得到500个方向上的应变值，代入式（6-25）后，就可以计算出125个α1，将α1对cosα做偏导，就可以计算出材料的残余应力：

6.2.2.2　实验结果与讨论

二维面探各测试探头之间间隔0.72°，一圈360°共有500个测试探头，因而可以一次测量得到500个测试数据。在试样孔边喷丸区域选了1、6、7、8四个测试点，逐渐远离孔边喷丸区域选了1、2、3、4、5五个测试点，其中3、4、5三点位于未喷丸的基材部分。图6-11a～e列出孔边喷丸区域1、6、7、8四点及位于基材部分5点的德拜环及各点衍射峰强度曲线。表6-7列出了1、6、7、8四个测试点（311）晶面衍射峰强度最大值和最小值的比值。

通过比较图6-11的五个德拜环可以看出，1、6、7、8四个位于孔边喷丸区域测试点二维面探得到的德拜环比较完整，没有明显织构斑，衍射峰强度最大值和最小值的比值也都小于3，因而可以认为试样孔边喷丸区域不存在明显织构。而5点位于试样未喷丸的基材部分，从5点的德拜环上可以看出4个明显的织构斑，其衍射峰强度最大值和最小值的比值为5.150，大于3，因而认为试样基材部分存在织构，这一研究结果也验证了之前一维线探的测试结论。

图6-11　二维面探测试结果（一）（参见彩图附图17）(www.xing528.com)

表6-7　试样表面测试点衍射峰强度比值（一）

图6-12列出了逐渐远离喷丸区域的1、2、3、4、5五个测试点的德拜环及各点衍射峰强度曲线，表6-8列出了这五个测试点（311）晶面衍射峰强度最大值和最小值的比值。

通过比较图6-12的五个德拜环可以看出，随着测试点逐渐远离喷丸区域，喷丸覆盖率逐渐下降，二维面探测得的德拜环不再完整，合金中的织构变得愈来愈明显，3、4、5三点的德拜环出现了明显的织构斑，这三点衍射峰强度最大值和最小值的比值也都大于3，因而认为试样基材部分存在织构。表6-9列出了3、4、5三个测试点（311）晶面织构斑的位置和该角度上衍射峰绝对强度。

图6-12　二维面探测试结果（二）（参见彩图附图18）

表6-8　试样表面测试点衍射峰强度比值（二）

由X射线二维面探得到的各测试点的表面残余应力见表6-10。图6-13a、b给出了各测试点二维面探的表面残余应力测试结果。

表6-9　3、4、5测试点织构斑位置及衍射峰绝对强度

表6-10　X射线衍射二维面探表面残余应力测试结果

图6-13　AA2397铝锂合金各测试点表面残余应力

由图6-13a可见，试样孔边喷丸区域各点的表面残余压应力差别不大，而试样基材部分的残余压应力明显小于试样孔边喷丸区域的残余压应力；由图2.15b可见，随着测试点2～5点逐渐远离喷丸区域，喷丸覆盖率逐渐下降，试样表面残余压应力也随之逐渐减小。

根据本实验，可以得出以下论述：

（1）通过X射线衍射二维面探方法测试材料残余应力，不论从理论上还是从实际操作上都是可行的，且本节已经成功测得AA2397铝锂合金的表面残余应力，并得到了各测试点的德拜环，对试样中的织构也进行了初步定性分析。

（2）实验结果表明，AA2397铝锂合金未喷丸基材部分残余应力分布不均匀，衍射峰强度随衍射角的变化而变化，衍射峰强度最大值和最小值的比值均大于3，所以可以认为试样基材部分存在明显的织构；而孔边喷丸区域测试点的德拜环都较为完整，没有明显织构斑，衍射峰强度最大值和最小值的比值均小于3，因而认为试样喷丸区域不存在明显的织构。

（3）二维面探只需要一次曝光即可得到试样完整的德拜环，操作方便，时间短，而且所得到的德拜环可以反映出材料的X射线衍射特性，同时也可以反映出织构这一晶体学特征。