技术研发

应力测量与调控技术

应力测量与调控技术是以工程构件内部应力场为研究核心,以实验表征和理论预测为基础,有针对性地采取应力处理技术对应力场进行精准调控和优化,以达到符合工程应用的最佳状态,从而实现提高产品质量、改善服役性能、延长使用寿命等应用目的。

 

 

 

东莞材料基因高等理工研究院应力测量技术研究所(简称“应力所”)针对金属材料、无机非金属材料、薄膜材料及复合材料等在加工制造过程中引入的残余应力进行分析研究,为解决由残余应力导致的材料提前失效、尺寸缩胀和服役退化等工程问题,提供理论指导和工程技术解决方案。

 

东莞材料基因高等理工研究院拥有多种先进残余应力测量技术、设备,及经验丰富的研究团队。目前拥有的主要残余应力检测手段包括:中子衍射法、X射线衍射法、轮廓法、钻孔法手段。中子衍射法为我院特色,基于散裂中子工程材料中子衍射谱仪开展检测业务,具有测量深度最深的特点;X射线衍射技术是一种无损检测技术,主要针对样品表面残余应力测量;钻孔法与轮廓法为有损检测技术,可测量材料一定深度内的残余应力。多种技术结合可测量深度覆盖10μm至1m。同时应力所仍在不断开发推出新的测量技术,如:深孔法、压痕法、中子衍射等。

 


♦ 研究方向

① 材料及构件的宏观残余应力精准测量与表征;

② 材料及构件的微观残余应力精准测量与表征;

③(残余)应力的数值模拟分析;

④(残余)应力的调控技术应用;

⑤ 先进(残余)应力测量技术开发与应用。


♦ 仪器设备

 

X射线应力测量仪

MRX X-Raybot

 

慢走丝线切割机

Sodick AL600P

小冲杆力学试验机

(自主研发)

微压痕材料性能测试仪

(自主研发)

DIC应变测量系统
奥林巴斯激光共聚焦显微镜 OLS 5000-SAF 三维变焦表面轮廓仪 Alicona G5+ 盲孔仪 SINT MTS3000

三坐标测量仪

Hexagon PMM-C

 

 


♦ 应用案例

中子衍射法-案例1:双面埋弧焊UOE直缝焊管残余应力

海底油气输送管道的铺设多采用双面埋弧焊(DSAW) UOE 直缝焊管,而UOE 直缝焊管焊缝处残余应力的水平和分布会直接影响用它们所铺设的管道的结构完整性和服役寿命。目前根据BS7910标准对油气管道进行结构完整性评估时,在未知焊缝处残余应力量值的情况下,需将其最大值假设为母材屈服强度的当量水平并且是处于拉伸状态,极有可能导致管道的安全设计过于保守。因此,有必要对UOE直缝焊管的焊接残余应力进行表征,从而了解焊接残余应力的真实水平。

 

UOE直缝焊管以钢板为原料,经过弯边、U成形、O成形、内外道双面埋弧焊、最后经过机械扩径完成生产。测量管件外径18英寸(457.2mm),壁厚1英寸(25.4mm),材质为X65钢,利用中子衍射法对该管件焊缝处残余应力进行测量。样件370mm长,中子取样测量体积为4×4×4mm³,从双面埋弧焊UOE直缝焊管机械扩径后焊缝残余应力中子衍射法测量结果可知,焊缝处最大拉伸残余应力仅为250MPa,不到母材钢板实际屈服强度(516MPa)的一半,具体在焊缝的中心线上,距外表面约8mm处。

 

双面埋弧焊UOE 直缝焊管机械扩径后焊缝残余应力中子衍射法测量

 

中子衍射法-案例2:飞机组件巡航高度的低温残余应力

现代飞机组件为了减轻重量,逐步采用金属和非金属的复合材料,相对于传统金属材料有显著优势。但是由于不同材料各自的热膨胀系数不同,会在金属组件内部产生额外的残余拉应力,对结构的抗疲劳性能可能产生不利影响。在一万米的飞机巡航高度下,大气温度约为-50℃,飞机复合材料结构内部的残余拉应力水平相对地面温度有明显增大。团队研究了钛合金增强的铝合金拉伸复合样品。复合样品在120℃下制备而成,应变测量分别在室温和-50℃下完成。结果显示测得的残余应力峰值在室温下约为40MPa,而在-50℃下约为70MPa。相关实验数据有助于进一步分析飞机结构部件的抗疲劳性能。

 

实验和模拟应力结果对比

 

中子衍射法-案例3:异种金属钢焊接原位热处理残余应力

针对海底石油、天然气开采行业中的异种金属焊接接头残余应力测试问题,团队以8360M低合金钢和Alloy625堆焊材料为例进行热处理前、热处理过程中及热处理后的原位中子衍射实验,取样测量体积为2×2×2mm³,通过对焊接接头处多点进行测量,可以定量地得到接头处两种焊接材料内部的应力再分布情况,实验同时表明通过合理的热处理工艺,试样三个方向上的应力集中均有减少,其中最明显是Alloy625侧,最大残余应力释放位置距连接界面约10mm处,横向残余应力降低了约400MPa。相关实验对于热处理工艺和效果给出了定量的数据支持。对于原位热处理实验,也体现了中子穿透力较强的能力,可以穿透热处理包层材料获得内部样品的衍射信号,同时也需考虑尽可能优化中子路径,减少中子在材料中的穿透长度,以降低中子强度的衰减,节省测量时间。

 

异种金属接头热处理应力再分布的中子衍射原位测量

 

轮廓法-案例1:核电站异种金属焊接管道中的残余应力测量

针对核电站异种金属焊接管道,在焊缝处的残余应力测量的关键部位。面对这种厚度大、应力梯度变化大的工件,若要进行残余应力测量,采用轮廓法是一种最为适合的方法。在了解材料内部应力状态后,不断改进制造工艺,最终实现产品的应力调控。

 

轮廓法切割机表面测量过程

 

垂直切面方向的残余应力二维展示

 

轮廓法-案例2:弯管及法兰焊接部件的轮廓法残余应力测量

针对弯管及法兰焊接部件残余应力测试困难问题,采用轮廓法进行尝试测量,从而为数值模拟提供有效数据,分析由应力导致的开裂问题,为改进工艺和提升部件寿命提供关键数据支持。

 

 

轮廓法+XRD法-案例:高速列车用大型齿轮部件残余应力测量

针对轨道交通高速列车用大型齿轮部件,测量齿轮近表面和内部的残余应力分布,尤其关注感应淬火处理导致的从表面到内部的残余应力分布趋势,以此量化和对比不同热处理工艺对残余应力分布的影响。测量工作的难点在于:齿轮的几何形状相对比较复杂,同时表面的感应淬火处理会引入了比较大的近表面应力趋势变化,因此采用传统的XRD测量方法难以获得比较满意的结果。经过深入分析,我院技术人员创新性地提出了将轮廓法和XRD法相结合的办法对齿轮试件进行残余应力测量,最终获得了比较满意的结果。

 

 

盲孔法-案例:高端大型薄壁瓷砖内残余应力测量

在大尺寸瓷砖产品机加工过程中,开裂问题是一件行业普遍存在的问题,同时这种开裂的规律并不遵循某一规律,难以把控。残余应力作为影响材料开裂的一种重要因素,应力所科研团队通过进行残余应力研究来探究瓷砖开裂的规律。针对陶瓷产品脆性大、成分复杂的特点,科研团队采用了钻孔法对产品进行残余应力测量,并给出工艺改进方案。

 

DIC法-案例:纯钛板DIC实时应变测量

为研究工程构件服役过程中的应变演化行为,应力所使用三维DIC方法对纯钛板材进行模拟测量,以高分辨率和高精度对试样在不同拉伸状态下的应变分布进行实时在线检测,并取得显著成效。

 

散斑试样

(a)拉伸二维应变分布

(b)表面吕德斯带的形成与扩展

 

应力调控-案例:振动时效(VSR)

磁悬浮轨道梁是焊接结构,焊后残余应力影响其机加工尺寸稳定性。采用振动时效技术降低了焊后轨道梁的残余应力,使得后续加工中轨道变形小于3毫米,保证了尺寸稳定。

 

 


♦ 科研成果

 

承研项目(部分)

1.《中国散裂中子源工程材料谱仪研制及应用研究》,广东省科技厅创新人才团队引进项目, 2016.01~2022.09

2.《高端轴承自主可控制造》,中科院战略性先导科技专项项目, 2020.01~2022.12

3.《高端陶瓷残余应力测试及数值仿真技术开发》,广东马可波罗有限公司, 2021.03~2026.12

4.《高性能金属增材制造关键基础科学问题研究》,广东省基础与应用基础研究重大项目, 2021.1~2025.12

5.《核反应堆异种金属焊接接头残余应力的测量与模拟分析》,中国核动力院反应堆燃料及材料重点实验室, 2019.01~2020.12

 

发表论文(部分)

1.  T. Zhang, Z. Xu, Y. Su, J. Wang, L. Lu, K.B. Chong, X.D. Hou and S. Paddea, 2020, Coatings, 10, 93

2.  P. Deng, X. Zhang, X. Hou, Y.F. Han, M.Q. Chu, B. Chen, L. Jia, K. Kondoh and S.F. Li*, 2020, Materials Science and Engineering A, 799, 140137

3.  Sanjooram Paddea, 饶德林,叶晋,张书彦,异种金属管道焊缝的修补焊残余应力研究, 焊接,2020, 02:16-20

4.  Y. Li, D. Paarfitt, P.E.J.Flewitt, X.D. Hou, J. Quinta de Fonseca and B.Chen*, 2020, Materials Science and Engineering A, 796, 139992

5.  X. Zhang, X.D. Hou, D. Pan, B. Pan, L. Liu, B. Chen, K. Kondoh and S.F. Li*, 2020, Materials Science and Engineering A, 793, 139783

6.  X.D. Hou, H. Zhang, M. Seraffon, A. T. Fry*, 2020, Materials and Corrosion, 71, 1310-1320

7.  Anas Achouri, Foroogh Hosseinzadeh, P John Bouchard, Sanjooram Paddea, and Ondrej Muransky, 2020, Materials &Design

8.  饶德林,莫家豪,高建波,李 军,张书彦. 反应堆压力容器钢韧脆转变机理及评价的研究进展. 机械工程材料,2021,45(7):7-11

9.  Delin Rao,Bo Kuang,Xian Zhang,Shuyan Zhang. Annals of Nuclear Energy, 2021,155 :108170

10. Weisheng Xu,Jiahao Mo,Jin Zhang,Yong Lian&Pengfei Ji. Journal of Materials Engineering and Performance,2021,30:5889–5897 (2021)

11. 侯晓东, 仪器化压入测量的计量研究概况. 计量科学与技术, 2021, 65(1): 20-24

12. 石伟, 张凯林, 侯晓东.边缘凸起式超显微硬度压痕的共聚焦测量.光学精密工程,2021,29(05):1014~1022

13. Zhang, R. Y., H. L. Qin, Z. N. Bi, J. Li, S. Paul, T. L. Lee, B. Nenchev, J. Zhang, S. Kabra, J. F. Kelleher and H. B. Dong(2019). "Using Variant Selection to Facilitate Accurate Fitting of γ″ Peaks in Neutron Diffraction." Metallurgical and Materials Transactions A 50(11): 5421-5432.

14. Zhang, R. Y., H. L. Qin, Z. N. Bi, J. Li, S. Paul, T. L. Lee, S. Y. Zhang, J. Zhang and H. B. Dong (2020). "Evolution of Lattice Spacing of Gamma Double Prime Precipitates During Aging of Polycrystalline Ni-Base Superalloys: An In Situ Investigation." Metallurgical and Materials Transactions A 51(2): 574-585.

15. Zhang, R. Y., H. L. Qin, Z. N. Bi, J. Li, S. Paul, T. L. Lee, S. Y. Zhang, J. Zhang and H. B. Dong (2020). "Temperature-Dependent Misfit Stress in Gamma Double Prime Strengthened Ni-Base Superalloys." Metallurgical and Materials Transactions A 51(4): 1860-1873.

16. Zhang, R. Y., H. L. Qin, Z. N. Bi, Y. T. Tang, J. Araújo de Oliveira, T. L. Lee, C. Panwisawas, S. Y. Zhang, J. Zhang, J. Li and H. B. Dong (2022). "γ″ variant-sensitive deformation behaviour of Inconel 718 superalloy." Journal of Materials Science & Technology 126: 169-181.

17. Semiatin, S. L., N. C. Levkulich, R. Larsen, J. S. Tiley, K. N. Wertz, F. Zhang, T. M. Smith, R. Y. Zhang, H. B. Dong, P. Gadaud and J. Cormier (2021). "The Application of Differential Scanning Calorimetry to Investigate Precipitation Behavior in Nickel-Base Superalloys Under Continuous Cooling and Heating Conditions." Metallurgical and Materials Transactions A 52(9):3706-3726.

 

申请专利(部分)

1.  桑竹,贡志锋,侯晓东,张书彦,张鹏,用于复杂表面的X射线应力测量仪及测量方法、存储介质,2022.1.25(授权),中国,201910605907.3

2.  饶德林,桑竹,叶晋,张书彦,张鹏,一种小冲杆试验装置,2020.09.30(受理),中国,202011054768.9

3.  黄照文,侯晓东,桑竹,饶德林,叶晋,莫家豪,郭水,张腾飞,张书彦,张鹏,一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法,2020.12.04(受理),中国,202011400194.6

4.  桑竹,叶晋,莫家豪,侯晓东,饶德林,黄照文,郭水,张腾飞,张书彦,张鹏,一种改善慢走丝线割机切割出现线痕问题的方法,2021.01.02(受理),中国,202011635293.2