产品样本应用文章
曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。 与一般机床相比，曲轴机床有如下特点： （1）采用特殊卡盘，这种卡盘除具有一般卡盘的夹头外，还带有调整偏心量及方位角的功能。卡盘装在机床主轴上，滑台可在卡盘体的径向导轨上移动，以调整偏心量，夹头夹持工件，并可绕自己的轴线回转，调整方位角。 （2）大型曲轴机床没有后端顶针，而是在工件下部有和曲轴轴颈数量相同的中心架支撑。 （3）多刀加工半自动循环，为了提高生产率，曲轴机床一般具有前后刀架，同时加工连杆颈及曲臂侧面。机床起动后自动进行加工，加工完毕自动停车。 曲轴机床之所以具备这些特点，是在设计制造时考虑到了曲轴本身刚度较差，曲轴连杆颈与曲轴回转线不重合，且曲轴颈方位角不同等原因。 本文使用GNR公司EDGE残余应力分析仪对机床加工的曲轴进行应力测试。
机床直线导轨是机床操作中至关重要的组成部分，它用于支撑和引导刀架、工作台等部件的运动。直线导轨的质量和性能直接影响机床的加工精度和稳定性。在机床的使用过程中，导轨可能会受到各种外力的作用，引发应力集中问题。本文将详细讨论机床直线导轨用钢的应力集中问题，并提供防止应力集中的有效方法。 1. 应力集中问题的原因 机床直线导轨用钢在使用过程中，由于受到切削力、惯性力、温度变化以及装配误差等多种因素的影响，导轨上可能会出现应力集中的情况。应力集中是指导轨上的应力在某个局部区域集中，超出正常范围，导致该区域的应力过大甚至超过材料的承载能力。 2. 应力集中的危害 应力集中会导致机床直线导轨的强度变差，加剧磨损和疲劳断裂的风险。如果长期存在应力集中问题，导轨可能会出现裂纹、变形等严重损坏，进而影响机床的运行稳定性和加工精度。 所以对机床导轨整体的应力评估就显得尤为重要。 本次实验使用GNR公司EDGE残余应力分析仪对装配前的机床导轨进行测试，从导轨的端部和中部，选择三个测量点，另外还有一个开孔边缘进行测试。
轴承广泛应用于冶金、风电、矿山机械、航天、汽车零部件等领域，被誉为机器的“关节”，其性能、精度、寿命和可靠性对主机设备有着决定性的影响，残余应力含量则关系到轴承的寿命。 本文使用GNR公司EDGE残余应力分析仪对车用轴承进行测试，以评估轴承质量水平。
齿轮广泛应用于各种设备和机器，如汽车、飞机、机床等。通过改变齿数和模数来调节齿轮的转速和转矩，以满足不同的机械系统要求。 本文使用GNR公司STRESS-X残余应力分析仪对车用轴承附件齿轮进行测试，以评估齿轮使用情况。
固溶温度对TC4钛合金残余应力的影响如图所示，从图中我们明显发现，在Tβ以下时，随着固溶温度的升高，残余应力也缓慢增加；但是超过Tβ时，残余应力则又下降了，甚至低于945°C固溶后得到的组织的残余应力。由于这些残余应力都是在应力松弛以后测得的，而且这些试样的固溶温度差别相对于九百多度的固溶温度来说可以忽略，它们固溶以后的冷却方式也相同的，所以认为945°C、955°C和965°C固溶后得到的双态组织的残余应力的差别主要是由于组织内部相的变化造成的。这三种组织的残余应力与975°C固溶后得到的魏氏组织的残余应力差别，不仅与组织内部的相的差别有关，还与不同组织的抗应力松弛能力不同有很大关系。 三种双态组织由于高温时不稳定的β相比例不同，所以在随后空冷过程中，由高温β相转变成α相和低温β相量也不同。而α相具有密排六方结构，致密度为0.7405，β相为体心立方结构，致密度为0.6801。所以在这个转变过程中必然会导致晶格畸变。空冷又没有炉冷时那样充足的协调组织变化的时间，同时，初生α相在这个转变过程中不发生变化，其阻碍了组织的协调。从而导致了这三种条件下得到的组织的残余应力的不同。 975°C固溶后得到的魏氏组织的残余应力之所以降低了，一方面因为在低温条件下，其应力松弛能力强于双态组织，另一方面其组织完全是由高温β相转变成α相和低温β相，没有初生α相的阻碍。所以此组织的残余应力较低。
Ｘ射线衍射技术是目前研究物质微观结构有效的无损检测方法之一，在物理、化学、材料科学等领域中都得到了广泛应用。多晶材料在经过形变、相变等过程后，材料内部晶粒会发生晶格应变，晶格应变会使晶面间距发生变化。根据布拉格方程可知，晶面间距的变化会导致衍射角度的变化，通过测定特定晶面在不同方位角的衍射角变化，可以计算出材料的应力。 在相同测试条件下，对不同晶粒尺寸的材料进行测试，晶粒尺寸较大的材料会出现较大的线性偏差，导致其残余应力的测试结果不可靠。因此，不同晶粒尺寸的材料需选用合适的测试参数。 利用Ｘ射线衍射法测试材料的残余应力，需要足够多的晶粒参与衍射，才能得到准确、可靠的测试结果。增加参与衍射晶粒数目的方法有增大准直管直径法和摇摆法。准直管直径的大小决定了射出的Ｘ射线数量，增大准直管直径可以直接增大Ｘ射线照射在材料表面的面积。摇摆法是在探测器接收衍射信号的过程中，使Ｘ射线管和探测器在试样表面法线与应力测试方向所构成的psi平面内左右摇摆一定的角度，获得的衍射峰形是在摆动范围内的各个角度下获得衍射峰线性叠加的结果。 衍射峰曲线是由材料表面参与衍射的晶粒累加而成。细晶材料的晶粒尺寸较小，在测试面积相同的条件下，参加衍射的晶粒较多，衍射峰峰形饱满完整且对称性好，从而使其测试结果的线性偏差较小。较大晶粒材料在测试面积相同的条件下，参与衍射的晶粒较少，衍射晶面法线在空间不呈连续分布，无法得到挑高饱满的衍射峰峰形，对定峰的准确性有一定影响，从而影响数据拟合的准确性。 准直管直径和摆动角度对无应力粉末及细晶材料的残余应力测试结果影响不大，对较大晶粒材料的残余应力测试结果影响较大；增大准直管直径和采用摆动法可以增加参与衍射的晶粒数量，提高衍射峰的强度，有利于拟合计算；采用较大的准直管直径并增大摆动角度，可以改善较大晶粒材料衍射峰峰形及对称性，提高残余应力测试结果的准确性。
1. α相的化学成分 α相是一种稳定的相，占据了钛合金中较大的比例，通常占70%~95%。它的化学成分与普通金属钛类似，主要包括钛、氧、碳、氮、氢等元素。其中，钛是主要元素，含量通常在80%以上，而氧、碳、氮、氢等元素的含量很低，不足0.5%。这些元素既可以存在于钛原料中，也可以来自生产过程中的杂质和掺杂。 钛合金中的氧含量是比较重要的参数之一，它对材料的强度、韧性、耐腐蚀性等性能有着明显的影响。通常用氧含量《的百分比来描述钛合金的氧化程度，例如Ti-6Al-4V合金的氧含量为0.12%~0.25%。 碳、氮等元素的含量也会影响钛合金的性能，特别是材料的硬度和韧性。因此，针对不同的应用领域和要求，可以通过控制化学成分来实现钛合金的优化设计。例如Ti-6Al-4V合金就是通过添加6%的铝和4%的钒来提高强度和耐热性能的。 2. β相的化学成分 β相是一种高温相，形成于800℃以上，相对α相而言相对不稳定，所以在实际应用中较少单独使用。但β相的加入能够提高钛合金的强度、硬度、热稳定性和抗疲劳性能，因此常用于合金设计中。β相的化学成分与α相有所不同，主要取决于其添加的合金元素和处理工艺。 β相常见的合金元素有铝、钒、铬、锆、钽等，它们可以与钛形成稳定的亚化合物，并协同作用于材料的性能。例如，添加5%的铝和2.5%的钒可以得到高强度、高韧性的β型钛合金，以IMI834合金为例，其化学成分为Ti-6Al-4V-2.5Fe，其中铝、钒、铁三种元素占据了合金中的大部分。 在β相钛合金的制备过程中，通常需要进行热处理或快速冷却等加工工艺，以控制其化学成分、微观组织和性能。这些工艺的选择和优化，对β相钛合金的性能提升和应用持久性都有着重要的意义。 3. 总结 钛合金α相和β相的化学成分有着一定的区别。α相是一种稳定的相，其主要的化学成分是钛、氧、碳、氮、氢等元素，含量分别在80%,不足0.5%之间。β相则常见于添加合金元素的钛合金中，其化学成分取决于合金元素的种类和含量，通常包括铝、钒、铬、锆、钽等。两种相之间的相变温度约为880℃,在钛合金的制备和加工中，需要对其化学成分、微观组织和性能进行充分的控制和优化，以满足不同的应用需求。 钛合金有α相β相两种基本相，钛合金的性能在很大程度上取决于α相和β相本身的性能及其在合金中的形态、大小、分布和所占比例。β相的强度高于α相的强度，且滑移系统较多，更容易承受塑性变形，高强钛合金通常是以β相为基的合金。α相的耐热性、抗蠕变性能均比β相好，高温钛合金通常为α合金和近α合金。 钛合金的基本组织为以α-Ti为基的α固溶体和以β-Ti为基的β固溶体，α合金、近α合金和许多α+β合金的基体为α固溶体，β合金的基体为β相。
小试样与大试样由于质量和体积有很大变化，热处理时在热形变上就会有所差异，而且由于热容量大小同也会造成差异。 试样形体大小不一样，传导热的速度是不一样的，即热处理的过程肯定是有区别的。主要是热传导速率问题，表现在奥氏体化过程，和之后的冷却过程，试样的大小，体积会影响热传导的速率，导致加热和冷却后晶粒的大小，基体力学性能及第二相的大小，分布都可能不同，还有内应力的不同。 导热速率会造成差异，加热过程由于薄厚试样温度达到环境温度时间不一样 也就是升温速度不一样，材料温度升到环境温度后，组织变化应该是一样的，在冷却过程也是小试样和大试样降温速度不一致，如果组织受降温速度影响明显 那么组织也会有差别。 加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。 冷却也是热处理工艺过程中必要的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
与其他非铁磁性材料相比，铁磁性材料的物理性质有很大的不同。它具有很高的磁导率，对样品进行磁化时，样品表面会泄漏磁场，在低频外磁场作用下会产生微涡流信号，上述物理现象归因于铁磁材料自发磁化形成的磁畴结构，每个磁畴就像一块天然磁铁。铁磁材料内部存在许多小的磁畴结构，每个畴区包含大量的原子，同一畴区内的原子具有相同的磁矩方向，而相邻畴区内的原子具有不同的磁矩方向，它们由磁畴壁分开，磁畴的磁矩方向各不相同，但是相互抵消，总和为零，整个铁磁材料对外不显示磁性。因此，对于铁磁构件的应力检测，出现了许多的其特有的检测手段。相对于非铁磁材料而言，铁磁材料的应力检测方法更加种类繁多，越来越受到人们的广泛关注，在管道运输、轨道交通、桥梁工程等在役铁磁构件的承受应力评估中应用广泛。 铁磁性材料的磁畴在外磁场的作用下发生运动，引起材料的矫顽力、磁滞回线、磁声发射和巴克豪森噪声等宏观磁性能的变化。这些信号与材料结构和应力的变化之间联系紧密，密切相关。常用的磁无损检测技术主要有微观磁无损检测技术和宏观磁无损检测技术。微观磁无损检测技术主要有:磁畴动态特性；宏观磁无损检测技术有磁滞回线、磁记忆、漏磁、磁声发射、巴克豪森噪声和磁滞膨胀。微观的动态特性决定了宏观磁响应，宏观磁信号是许多微观域运动的综合结果。
1. 畴壁（domain wall） 畴壁是一种物理现象，它在磁场中尤为重要。具体来说，畴壁指的是相邻磁畴之间的原子磁矩不是突然转向，而是沿着一个磁矩方向逐渐变化的过程形成的边界。在这个过程中，原子磁矩不会平行排列，并且会偏离易磁化方向，导致交换能和各向异性能的增加。这样的结构有助于减少因自发磁化引起的能量损失。 在铁磁材料中，畴壁的存在是由于短程强交换作用和长程静磁作用的共同作用。磁畴的形成需要付出一定的代价，因为破坏了磁矩的两边平行排列，从而增加了交换能。为了减少这种能量的增加，磁畴之间的原子磁矩会在畴壁上逐渐变化，而不是直接转向。这样，磁畴分割得越来越细，需要的畴壁数量也就越多，总的是畴壁能越高。最终，系统达到的总自由能是很低的。 畴壁的厚度取决于交换能和各向异性能的平衡。不同的磁畴之间的磁化方向可能不同，因此畴壁可以分为180°壁和90°壁。磁畴的宽度一般在10^-2至10^-5 cm之间。 此外，畴壁的概念也被引入到了其他领域，例如在铁电体中，畴壁是指两个电畴之间的界壁。在铁电材料中，畴壁是用来描述具有不同极化方向的区块之间的分界的术语。 综上所述，畴壁是在磁场或铁磁材料中，由磁畴分裂形成的边界，它是由于磁矩在不同方向上的逐渐变化而产生的，并且在铁电体中，畴壁用来描述电畴之间的界面。 2. 布洛赫壁（Bloch wall） 布洛赫壁是一个德语单词，在英语中也被广泛使用，通常被翻译为“障壁”、“阻塞”或“屏障”。 在铁磁材料中，布洛赫壁是晶体材料内的一个特定结构。它描述了磁矩在大块晶体材料内部的过度方式。在布洛赫壁中，磁矩的过度方式始终保持与畴壁平面平行，因此，在畴壁面上不会出现自由磁极，这有助于防止退磁场产生并维持畴壁的能量极小。然而，晶体的上下表面会因磁矩的存在而产生磁极。 3. 磁巴克豪森跳跃（magnetic Barkhausen jumps） 铁磁材料在外部交变磁场的作用下，随着外磁场的增大，磁畴壁会多次发生跳跃式不可逆移动，材料内部产生非连续性的电磁脉冲，这种现象称为巴克豪森跳跃，也称为磁巴克豪森噪声。 巴克豪森法残余应力检测仪可以对材料的残余应力分布进行快速检测和鉴别。作为X射线衍射法的补充，对大量样品的快速鉴别效率极高，GNR公司现已推出MagStress5c 巴克豪森应力检测仪。
