在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中，一些殘余應力可以通過(guò)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酷的生產(chǎn)環(huán)境中。
飛機在不同的生產(chǎn)階段都必須達到相應的嚴格標準。殘余應力測量有助于驗證一些先進(jìn)的設計和加工技術(shù)，并確保其是否得到了正確、有效的實(shí)施。
近年來(lái)，提高飛機燃油使用效率的需求一直促使航空航天工業(yè)開(kāi)發(fā)出更加堅固、質(zhì)量更輕的航空材料，同時(shí)延長(cháng)部件的使用壽命以降低相關(guān)的經(jīng)濟成本。但是，我們都知道這些新設計、新材料和新工藝在使用之前都需要得到準確的驗證。X射線(xiàn)衍射殘余應力測量技術(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)設計和加工提供有力的指導價(jià)值。本文講述了一些關(guān)于有效利用X射線(xiàn)衍射測量技術(shù)來(lái)提高航空航天應用中使用的鋁合金材料質(zhì)量的相關(guān)信息。
為什么要測量殘余應力？
殘余應力有時(shí)候是有益的（通常是壓縮應力），有時(shí)候又是有害的（通常是拉伸應力），并且這些應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/或在應力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境中使用的部件。識別一些新設計或工藝中的應力類(lèi)型有助于制造出更加出色的產(chǎn)品?，F在，值得慶幸的是，這些應力可以在產(chǎn)品制造過(guò)程中從有害類(lèi)型轉化為有益類(lèi)型。
X射線(xiàn)衍射技術(shù)是一種可用于檢查和比較零件中應力的非破壞性方法。測量可以在處理的開(kāi)始和結束以及在每個(gè)步驟之后進(jìn)行。這些測量也可以在規定的維護間隔之前、期間和之后使用飛機上的便攜式設備進(jìn)行。
加工過(guò)程中產(chǎn)生的應力：
組件中的終應力是從初始材料形成到加工到終產(chǎn)品階段的應力匯總。在生產(chǎn)及使用的各個(gè)階段，這些應力必須平衡。任何時(shí)候產(chǎn)生塑性流動(dòng)（塑性變形）都會(huì )導致零件中殘余應力的狀態(tài)發(fā)生變化。塑性流動(dòng)是由制造過(guò)程中對零件進(jìn)行的一些加工操作引起的。鑄造，機械加工，磨削，焊接，熱處理和表面強化都是制造工藝中改變殘余應力的典型例子。
在特定制造階段使用的參數也會(huì )改變終的合成應力。例如，濫用和常規研磨可能導致表面處形成輕微的拉伸應力和中性狀態(tài)
在部件的使用過(guò)程中，這些低表面應力可能不會(huì )對部件產(chǎn)生太大的不利影響。問(wèn)題是兩種研磨手段都會(huì )在表面下方產(chǎn)生高拉應力。如果在表面下方拉伸應力深度處發(fā)生高加載應力，則部件可能由于載荷而破裂并且殘余應力組合超過(guò)材料的屈服應力。此外，表面的損壞（例如工具的無(wú)意切口或外物損壞）可能會(huì )使拉伸應力暴露于表面并導致產(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。溫和的研磨參數通常會(huì )在表面產(chǎn)生壓縮應力，在表面更下方會(huì )產(chǎn)生稍大的壓縮應力。在表面處和表面下方的這些壓縮應力通常會(huì )在產(chǎn)品的使用期間起到保護部件的作用，進(jìn)而改善部件的使用壽命。
制造過(guò)程中的焊接會(huì )導致拉應力的產(chǎn)生，特別是在焊縫的底部或熱影響區域（HAZ）。焊接過(guò)程一般是通過(guò)熔化材料并使熔融的材料固化來(lái)連接兩塊固體材料，當焊縫凝固時(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 )導致焊縫或熱影響區域中產(chǎn)生拉應力。當產(chǎn)生拉伸應力時(shí)，需要采取步驟去除有害應力并用良好的壓縮應力來(lái)代替它們。
通常，人們會(huì )在制造期間或之后使用表面增強工藝來(lái)改善鋁部件的殘余應力狀態(tài)。比如，隔板上的鉚釘孔會(huì )依靠冷加工工藝來(lái)防止開(kāi)裂：一個(gè)過(guò)大的芯棒會(huì )被迫進(jìn)入鉚釘孔，使孔邊緣和周?chē)牧线M(jìn)入壓縮應力狀態(tài)。在安裝鉚釘之后，孔將保持壓縮應力狀態(tài)，從而限制鉚釘邊緣下方形成裂縫。
其他表面增強技術(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)生壓縮應力。這些工藝已被證明可顯著(zhù)提高部件的使用壽命——特別是在疲勞和應力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境中使用的零部件。
該儀器可以快速、輕易地測量各種材料的殘余應力，包括使用銅輻射測量鋁合金等材料。電子技術(shù)的進(jìn)步有助于制造更小、更緊湊的x射線(xiàn)系統。便攜式現場(chǎng)應用系統現在也已經(jīng)可以在制造層上快速安裝或在飛機上使用，總的測量時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。
監測產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中以及生產(chǎn)之后的應力：
X射線(xiàn)衍射初用于測量材料的殘余應力（1925），但X射線(xiàn)管和探測器的進(jìn)步已經(jīng)*改變了整個(gè)工業(yè)行業(yè)。以前冗長(cháng)的破壞性測試已被快速的非破壞性測量所取代，這些測量還可以提供額外的微觀(guān)結構信息。
隨著(zhù)位置敏感探測器的出現和廣泛使用，該技術(shù)在20世紀70年代取得了巨大的進(jìn)步。這些探測器可以在大型復雜幾何零件上快速收集數據而無(wú)需切片處理。 X射線(xiàn)衍射系統現在已經(jīng)可以制造得緊湊和小巧、便攜。 X射線(xiàn)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及使用甚至使其已經(jīng)可以在鉛屏蔽柜外被安全使用?，F在，可以在制造過(guò)程的每個(gè)步驟中以及使用壽命結束之前、期間和之后對飛機部件進(jìn)行檢測。
今天，人們已經(jīng)可以準確確定在制造過(guò)程的哪個(gè)階段產(chǎn)生了有害應力，即使在通常產(chǎn)生有益應力的某個(gè)制造步驟中出現問(wèn)題，也能被快速檢測和糾正。這種創(chuàng )新可以在制造過(guò)程的早期發(fā)現可能有缺陷的部件并有效縮短識別問(wèn)題的時(shí)間和重新制造部件的成本。一些創(chuàng )新公司能夠實(shí)時(shí)準確監控組件中的應力，以此了解何時(shí)制造設備需要維護甚至更換刀具等。同樣，在制造過(guò)程早期識別潛在問(wèn)題的經(jīng)濟影響也是*的。
在制造過(guò)程中測量殘余應力的另一個(gè)好處是能夠改變某些過(guò)程的順序，以便使成品部件中具有理想的殘余應力狀態(tài)。許多熱處理過(guò)程可以緩解或消除零件的應力，如果在高應力操作之前可以進(jìn)行熱處理，則可能更好地減少或消除部件中的翹曲現象。
后，還可以使用表面增強技術(shù)來(lái)減小殘余應力的影響。如果制造過(guò)程中產(chǎn)生了中性或拉伸應力，則可以在部件中引入有益的壓縮應力。還可以基于所需的理想應力狀態(tài)來(lái)選擇合適的表面增強處理技術(shù)。例如，可以使用常規噴丸強化來(lái)誘導相對表面的壓縮應力。如果需要在表面深處施加壓應力，則可能需要超聲波沖擊處理或激光沖擊強化技術(shù)。
一旦部件投入使用，應力可能會(huì )有所消退。在日常維護期間可以檢查承受高負載應力的零件，以查看是否仍然存在有益應力。由于加載應力和殘余應力是相加的，因此可以就地檢查零件以評估是否需要維修或更換零件。使用X射線(xiàn)衍射測量殘余應力可對飛機產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟影響。如果零件仍然保持有益應力，則現在不再需要從飛機上拆下零件，檢查零件和重新安裝零件的成本。還可以檢查修復的部件以確保其維持有益的應力類(lèi)型。
測量技術(shù)的進(jìn)展：
對于測量飛機上常用的鋁部件中的殘余應力而言，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量精度。X射線(xiàn)衍射殘余應力測量的局限性包括大晶粒尺寸和優(yōu)選的晶粒取向問(wèn)題等。銅X射線(xiàn)可以大限度地減少這些影響，而且，使用銅輻射時(shí)測量角度也更高，這極大的提高了測量精度并允許測量形狀更加復雜的幾何零部件。
總結：
在制造過(guò)程中有效控制殘余應力，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(xiàn)衍射系統技術(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殘余應力進(jìn)行快速測量。而且，這類(lèi)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，例如可以在鋁合金中對航空航天工業(yè)至關(guān)重要的一些關(guān)鍵部件進(jìn)行的測量。在這些部件中施加有益應力并在制造期間檢測潛在的有害應力可以進(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)行監控，以提高產(chǎn)品的安全性和可靠性。
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