【其他行业标准】 硬质合金刀具残余应力检测方法

中华人民共和国机械行业标准 JB/T 12615—2016 硬质合金刀具残余应力检测方法 Residual stress testing methods for cemented carbide cutting tool 发布日期：2016-01-15 实施日期：2016-06-01 前言 本标准按照 GB/T 1.1—2009 给出的规则起草。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国刀具标准化技术委员会（SAC/TC 91）归口。本标准起草单位：株洲钻石切削刀具股份有限公司。本标准主要起草人：高跃红、左锐、林江华。本标准为首次发布。 1 范围 本标准规定了硬质合金刀具残余应力的 X 射线衍射测定的检测方法。本标准适用于硬质合金刀具残余应力的检测。 本标准并未提出使用过程中相关的安全问题，使用者在使用之前应制定适当的安全和健康操作规范，并采取相应的措施。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 7704 无损检测 X 射线应力测定方法 JB/T 9394 无损检测仪器 X 射线应力测定仪技术条件 3 术语和定义 GB/T 7704、JB/T 9394 界定的术语和定义适用于本文件。 4 原理 X 射线应力测定的最基本的思路是把一定应力状态引起的晶格应变认为与按弹性理论求出的宏观应变是一致的。而晶格应变可以通过布拉格方程由 X 射线衍射技术测出，这样就可以从测得的晶格应变来推知残余应力。 X 射线衍射应力测试的正交坐标系如图 1 所示。根据弹性力学理论，在宏观各向同性晶体材料上，角度 $\beta$ 和 $\psi$ 方向的应变可以用公式 (1)～公式 (3) 来表述。 式中： $\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3$ 为在坐标 $S_1, S_2, S_3$ 方向上的正应力分量； $\tau_{23}$ 为 $S_2$ 和 $S_3$ 平面内的剪切应力；$\tau_{13}$ 为 $S_1$ 和 $S_3$ 平面内的剪切应力；$\tau_{12}$ 为 $S_1$ 和 $S_2$ 平面内的剪切应力； $S_{hkl}$ 为晶面 (hkl) 的 X 射线弹性常数； $\epsilon_{\beta}, \\epsilon_{\psi}$ 为晶面 (hkl) 在 $\beta$ 和 $\psi$ 方向上的应变。 在实际应力测定中，每个角对应有衍射角 $2\theta$。若干个 $2\theta$ 与 $\sin^2 \psi$ 关系组成如图 2 所示的 $2\theta - \sin^2 \psi$ 曲线。由于 X 射线对试样的穿入能力有限，所以只能测量试样的表层应力。在这种情况下，可以近似把试样表层应力分布看成二维应力状态，即 $\sigma_{33}=0$。在不计入剪切应力因素的情况下，$2\theta$ 与 $\sin^2 \psi$ 是直线。根据测定的 $2\theta - \sin^2 \psi$ 线的斜率 $M$，可用公式 (4)、公式 (5) 计算应力 $\sigma$。 5 试样的要求和准备 5.1 应选择照射成分一致性较高的区域。由于 X 射线的选择性，测得的应力为 X 射线束照射体积内某指定相特有的平均内应力（X 射线在硬质合金中的入射深度与所用波长有关，平均值为 3$\mu$m～10$\mu$m）。 5.2 硬质合金中相组成不一、固溶度不同，本标准在测定相的应力时存在困难。 5.3 X 射线衍射应力测量要求试样晶粒尺寸在 1$\mu$m～100$\mu$m 之间。晶粒度太大，参与衍射的晶粒数量变小，对衍射峰做出贡献的衍射域变少，导致衍射峰峰形和强度在 $\sin^2 \psi$ 方向上发生大的变化。晶粒度太小，存在于微晶粒/晶粒之间的微观应力引起的衍射峰位移变大，从而影响 X 射线衍射残余应力的测定。 5.4 待测样品应具有大于 X 射线束的平整测量平面，弯曲表面会导致偏低的测量值。对不符合规格的样品在不影响测量平面的前提下可以进行切割。高温、机械破坏、腐蚀等都有可能破坏测量面的原有应力状态。应尽量避免对样品表面进行处理，如果待测试样表面存在污垢、油膜、油漆、厚氧化层等，可以通过电解抛光或使用化学物质进行清理，以尽可能保持样品原有应力场。在进行样品准备时应避免使用可能削弱晶界或可能优先腐蚀某个物相的化学物质，以免导致局部应力松弛。 6 测试仪器和设备 测试仪器和设备应满足 GB/T 7704、JB/T 9394 的要求。 7 测试条件和步骤 7.1 参数选择 X 射线应力测试应选择超过 130° 的 $2\theta$ 衍射角，在非理想状态下可使用 $2\theta$ 不低于 120° 的衍射角。在低角度测量应变时敏感度较差，所以不推荐使用 $2\theta$ 小于 120° 的衍射角，可通过更换靶材找到合适的应力测试角度。对 WC 相，用 Cu K$\alpha$ 辐射线，取 (300) 衍射晶面，弹性常数参见附录 A；对立方 Co 相，用 Fe K$\alpha$ 辐射线，取 [311] 衍射晶面，弹性常数参见附录 A。测定和计算残余应力，必须了解被测材料的晶体数据和 X 射线弹性常数。为了使实验室之间的报告一致，建议使用附录 A 所列弹性常数。 7.2 测试步骤 7.2.1 按 5.3 中所述的要求准备试验样品。 7.2.2 将待测部位置于辐射线照射区域，同时保证待测表面与聚焦圆相切。 7.2.3 根据试样和仪器情况，选择 GB/T 7704 所列测定方法，获得足够多不同的 $\psi$ 角的 X 射线衍射线。$\psi$ 角可以通过等分法（如 $\psi = 0^circ, 15^circ, 30^circ dots$）和 $\sin^2 \psi$ 值等分法（如 $\sin^2 \psi = 0.1, 0.2, 0.3$）设置。 7.2.4 $\sin^2 \psi$ 值在特定的 $\beta$ 方向需要至少测试 4 或 5 个，为了提高测量的精度，建议使用 6 个或 6 个以上不同的 $\sin^2 \psi$ 值来进行应力的测定。 7.2.5 根据 GB/T 7704 所列定峰方法或其他适当的方法确定衍射峰位置。 7.2.6 根据测定的 $2\theta - \sin^2 \psi$ 线的斜率 $M$，计算应力 $\sigma$。 8 误差修正分析 应力测定随机误差可按公式 (6)～公式 (8) 计算。 9 报告 试验报告应包含以下内容： a) 试验设备型号以及仪器参数（电压、电流、靶等）； b) 检测人员信息和测定日期； c) 材料类型和试样描述（测量位置、材料 X 射线弹性常数等）； d) 衍射峰修正方法、定峰方法等详细的应力计算过程数据； e) 试验结果（应力大小、误差等）； f) 供需双方协商内容。 附录 A（资料性附录） 弹性常数 为了使实验室之间的报告一致，建议使用表 A.1～表 A.3 中列出的弹性常数。其他参考文献的值可能不同，所有弹性常数的数值都应注明。 表 A.1 WC（六方晶系，a=0.29062nm，c=0.28377nm）的弹性常数涉及晶面包括：(212), (113), (301), (300), (103), (211), (201), (003), (210), (112), (102), (200), (111), (002), (110), (101), (100), (001), (114), (210), (203), (104) 等。