金属材料的超声冲击影响深度研究

1、金属材料的超声冲击影响深度研究吕克茂（爱斯特应力技术有限公司 邯郸 056000 ）李 海 淄（山东强力超声波设备有限公司 济南 250150 ） 摘 要：本工作采用X射线衍射法测定经过超声冲击的金属材料残余应力和衍射峰半高宽沿层深的分布，从而了解到按照一定的超声冲击工艺，残余压应力层的深度可以达到近2mm，而冲击引起的晶粒碎化层深度亦可达到1mm 。分析认为，适度的残余应压应力和半高宽增大有利于提高金属材料的疲劳强度。关键词：超声冲击 X射线衍射 残余应力 半高宽1 问题的提出采用超声冲击技术对金属焊缝进行处理，能够调整焊接残余应力状态，改善焊缝金属组织，提高疲劳强度。早在上世纪七十年代初期

2、前苏联便开始把这项技术应用于海军核潜艇结构上。迄今已受到国际焊接学会的高度重视，美国、俄罗斯、德国、日本等等国家已对该技术进行了深入研究和实际应用的探讨。近年来国内一些高等院校、科研单位和企业也开始关注这项技术，展开实验研究，并着手实际应用。但是到目前为止针对超声冲击的作用深度问题并没用明确的研究成果。而作用深度关乎调整残余应力、改善组织、提高疲劳强度的实际效果，自然受到人们的普遍关心。2 超声冲击原理图1. X射线衍射现象超声波发生器产生频率大于18kHz的振荡电信号，通过换能器转换为同频率的纵波机械振动能量。再通过变幅杆将换能器微小振幅（一般为4m）变换到2080m，然后借助各种形式的工具

3、头将振动能量传达到金属材料上。该项技术的特点是单位时间内输出能量高，实施装置的比能量（输出能量与装置质量之比）大。振动频率为1827kHz，振动线速度可达23m/s，加速度相当于重力加速度的三万多倍。冲击头与被处理金属作用时间极短，高速瞬间的冲击能量是材料表面温度急剧升高又急剧冷却。这种高频能量从表面导入材料内部，必然引起材料组织不均匀的塑性变形和弹性应变。3 研究作用深度的方法和原理本工作的原理基于X射线衍射理论。当一束具有一定波长的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2上接收到反射的X射线强度极大值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如右图所示）。X射线的波长、衍射晶面间距d和衍射角

4、2之间遵从著名的布拉格定律：2d Sinn （n1，2，3） 这就是说，在一定的范围内连续改变2，同时接收反射的X射线并加以记录，可以得到如图3所示的衍射峰，我们暂且把衍射峰最大强度所对应的角度确定为衍射角2 。在已知X射线波长的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2也 会相应改变。因此我们有可能通过测量衍射角2随晶面取向不同而发生的变化来求得应力。对于各向同性的多晶材料，在平面应力状况下，依据布拉格定律和弹性理论可以导出，应力值正比于2随Sin2变化的

5、斜率M（例如图2所示），即 K·M ¶ 2 M ¶ Sin2 式中K为应力常数， E K = Ctg0 · 2（1+） 180 图2. 应力值正比于2对Sin2 的斜率式中E为杨氏模量，为泊松比，0为无应力状态的布拉格角。对于指定材料，K值可以从资料中查出或通过实验求出。这样，测定应力实质上就变成了选定若干角测定对应的衍射角2的过程。图3. 衍射峰及其半高宽如果我们机械地理解布拉格定律，就会认为只有在严格的2倍布拉格角上才会出现衍射强度的极值，然而实际上衍射峰总会跨越一定的角度范围（如图3所示）。为了描述这一现象便引入一个叫做半高宽B的物理量，他就是衍射

6、峰最大强度1/2处所占的角度范围。半高宽的大小既有几何因素，又有物理因素。几何因素主要是接收狭缝的大小。这在衍射装置中是可以固定的。而物理因素则包括材料的晶粒大小（嵌镶块的大小，或说晶粒碎化的程度），微观应力的大小，晶体中位错密度的高低等等。晶粒就会碎化或产生嵌镶块，微观残余应力增大，位错密度增高，都会导致衍射峰宽化，即半高宽增加。所以金属物理工作者普遍看重半高宽这个物理量，认为它包含丰富的材料组织结构的信息。4 试样制备选用45钢，加工成80×80×12mm的试块，表面磨削。经5001小时退火处理后，用细砂纸除去表面氧化层，在采用电解抛光的办法去除砂磨层及磨削痕迹，以至显

7、露材料细砂状的宏观组织。在此情况下，使用X射线应力测定仪测定试块的残余应力，结果表明垂直和平行原磨削方向（分别记为X和Y）的应力值，在测量误差范围以内，均接近于零。接下来，使用山东强力超声波设备有限公司生产的超声冲击装置对试块单面进行冲击，冲击时间为每平方厘米3分钟，冲击面积为5×5cm 。5 测试方法和条件测试仪器：X-350A型X射线应力测定仪测量方法：侧倾固定法 定峰方法：交相关法辐射：CrK 衍射晶面：Fe（211）X射线管高压：25kV 管电流：7mA 测试点位置：试块中心点 X射线照射面直径：6mm 剥层方法：采用XF-1型电解抛光机，笔式抛光头，对测试点进行局部剥层，剥

8、层面积10×10mm 。抛光电压18V，电流5A 。 6 测试结果X射线应力测定的结果如图4 图5所示，测得的全部数据列入表1和表2 。图4. 超声冲击引起的残余应力沿层深分布 图5. 超声冲击引起的衍射峰半高宽沿层深分布表1. 超声冲击后残余应力和衍射峰半高宽沿层深分布剥层深度（mm）X方向应力（MPa）Y方向应力（MPa）半高宽（°）半高宽（°）0-523-4574.133.930.01-487-4243.643.640.02-498-4093.523.490.03-435-4303.313.380.04-453-4303.283.320.05-438-430

9、3.103.090.07-419-3933.043.020.09-390-3312.732.760.11-293-3302.662.650.13-316-2592.622.580.15-281-2722.582.500.18-217-2662.532.530.22-252-2332.492.490.26-182-2182.372.350.31-232-2302.362.330.36-215-2422.302.320.41-189-2412.252.230.45-209-2292.232.220.5-223-2002.172.180.55-235-2132.172.110.60-241-2282

10、.132.200.65-200-2402.172.120.7-207-2492.172.140.75-208-2182.132.120.8-171-1622.122.140.85-200-1812.122.110.9-174-1862.062.120.95-204-1802.042.071.0-198-2292.062.081.1-174-1632.002.081.2-166-1762.072.071.3-113-1432.052.041.4-91-742.022.041.5-61-92.042.081.6-16-602.022.011.7-2062.072.031.937402.032.03

11、7 分析与评述对于上述X射线衍射分析的结果，可以作如下分析：1 图4 表明原来退火状态的试块，经过超声冲击，表面产生了很大的压应力。就当前选用的材料和冲击工艺而言，残余压应力区的深度接近2mm 。进一步分析，压应力沿层深分布可以分为三个阶段：一，表 面至0.15mm高应力和较快下降区。极表层压应力达到450520MPa，接着沿着层深应力较快下降至300 MPa以下。二，0.15至1.0mm压应力维持区，应力值维持在190250MPa范围。三，1.0至1.8mm压应力缓慢下降区，应力值从200MPa逐步降至零。2 图5表明经过超声冲击材料表面衍射峰半高宽显著增大。为了更直观地观察超声冲击引起的衍

12、射峰宽化效应，将退火状态和超声冲击状态衍射峰形及测量结果的对比展示如图6。分析图5 可以看到，半高宽与残余应力有着相对应的变化规律，也可分为三段：一，超声冲击表面半高宽达到4°，这对于45钢来说也是半高宽最大值。在由表面至0.15mm深度范围里较快下降，但是在此区间最低仍为2.5°，明显大于未冲击的数值。二，在0.15mm至1mm的区间，半高宽缓慢减小。三，深度超过1mm ，半高宽基本不变，而且与未作冲击处理的半高宽数值持平。3借助于金属物理学的基本知识，衍射峰半高宽告诉我们这里发生了什么，使我们看到了事情的本质。表面的半高宽达到极大，说明这里产生了较大的塑性变形，晶粒严重

13、碎化，位错密度极高，微观残余应力很大。强有力的冲击作用会由表面向里传导，但是发生的效应会越来越弱，特别是晶粒碎化的程度会较快降低，故而半高宽随之较快下降；至于半高宽缓慢减小的区间，我们可以暂且猜想在这里晶粒碎化的因素对于衍射峰宽化所起的作用越来越小，余下的是因冲击而增加的位错密度和微观应力导致宽化；随着层深的增加，后二者缓慢递减，所以半高宽也随之缓慢减小。图6。超声冲击引起的衍射峰半高宽和残余应力的变化上图为冲击之前，下图为冲击之后。上、下图个有两条衍射曲线，分别对应于=0°和=45°，二者峰位重合表明无应力，二者分开则表明有应力，峰位偏移愈大应力值愈大，=45°

14、衍射峰向高角偏移说明是压应力。半高宽可以从图中直观看出。4上述应力沿层深分布的三个阶段与半高宽的三个阶段是完全对应的。在冲击作用下表面发生较大的塑性变形，金属有向四周扩展的强烈趋势，但是受到下层金属的牵制，表面必然产生很大的残余压应力；与这种由表及里较快递减的塑性变形相对应，压应力也较快递减；最有趣的是压应力保持区与半高宽缓慢减小区相吻合（参看图4图5），这说明在冲击带来的组织变化结束之前 压应力不会明显降低；只有到了组织不受影响的区域，即半高宽与未冲击时一样水平，压应力才会缓慢降低下来。对于退火试样压应力逐步降至零，再往里还会出现拉应力，与表层的压应力相平衡。5当金属结构承受交变载荷时，可能发生的失效主要应当是疲劳断裂，而疲劳源大多产生于表层或近表层。上述第一段的高应力和第二段压应力维持区恰好与裂纹萌生和慢速扩展区重合。在疲劳过程中残余应力起到平均应力的作用1，一定水平的压应力可以提高疲劳强度。再从组织变化的角度来说，晶粒碎化、位错密度增高、微观应力增大等都属于形变强化的范畴，这些效应都会阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，所以也有利于提高疲劳强度。8 结论1 、就本工作所选取的试块和进行超声冲击而言，超声冲击引起的残余应力沿层深分布可分为三段