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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(lái)，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(kāi)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(lái)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(kāi)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?，F(xiàn)在，值得慶幸的是，這些應(yīng)力可以在產(chǎn)品制造過(guò)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(kāi)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(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力：

組件中的z終應(yīng)力是從初始材料形成到加工到z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(guò)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z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(guò)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(wèn)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(guò)材料的屈服應(yīng)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(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(guò)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(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(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(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(qiáng)工藝來(lái)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(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(kāi)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(guò)程中以及生產(chǎn)之后的應(yīng)力：

X射線衍射z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)徹底改變了整個(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(wú)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(guò)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(guò)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(wèn)題，也能被快速檢測(cè)和糾正。這種創(chuàng)新可以在制造過(guò)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(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?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(guò)程早期識(shí)別潛在問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)影響也是立竿見(jiàn)影的。

 

在制造過(guò)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(guò)程的順序，以便使成品部件中具有z佳的殘余應(yīng)力狀態(tài)。許多熱處理過(guò)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。

 

z后，還可以使用表面增強(qiáng)技術(shù)來(lái)減小殘余應(yīng)力的影響。如果制造過(guò)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z佳應(yīng)力狀態(tài)來(lái)選擇z佳的表面增強(qiáng)處理技術(shù)。例如，可以使用常規(guī)噴丸強(qiáng)化來(lái)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(wèn)題等。銅X射線可以z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(guò)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)中優(yōu)質(zhì)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)行精準(zhǔn)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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