简介

　　对齿轮(和许多其他部件)耐久性和性能的要求越来越高。设计师的任务是提高性能，疲劳强度和寿命的同时，尽量减少重量和成本。目前所采用的主要方法包括几何形状的优化、热处理工艺优化、以及齿面修正，等等。齿轮修形的研究和发展在很大程度上是由复杂的建模和分析软件的帮助的。但是，同样需要有效的开发需要验证的技术和测试，从而产生丰富的数据和定量的结果反馈。制造这些越来越复杂的几何图形和越来越严格的公差要求的齿轮，检查和控制技术方法也有了相应的进步。本文重点介绍了X射线衍射(XRD)技术，特别是利用XRD对两种工艺进行残余应力测量的研究进展。

　　残余应力及其重要性

　　虽然术语“残余应力”是一般理解和众所周知的，对它进行详细理解，还是可以帮助重新定义和重申残余应力在现代齿轮设计和制造的重要作用。残余应力是在消除所有外部载荷后，在材料体积内的应力。它们作为不相容的局部应变的弹性响应而发展。例如，在喷丸过程中，表层是塑性变形的，因此看起来会膨胀。下面的材料限制了这种膨胀(局部应变)，从而保持了表面和贴近表面的一部分深度内存在残余压应力。这些相对较浅，有时高量级的压缩应力被作用在材料内部体积上的拉应力平衡创建的公共机制。残余应力和一些典型的制造过程和与这些机制相关的过程包括：

　　不均匀塑性变形——锻造、弯曲、轧制和使用表面变形;

　　表面改性——加工、磨削、喷丸、腐蚀或氧化;

　　材料阶段和/或密度的变化——通常是焊接、热处理/淬火和机械加工或使用过程中的摩擦加热造成的巨大热梯度的结果。

　　残余应力的重要性不亚于应用应力。在实践中，“总应力”是残余应力和应用应力的总和。在总应力方程中，残余应力和外加应力的权重相等。例如，在喷丸加工的齿轮齿，近表面的压残余应力抵消了轮齿弯曲过程中齿面遇到的大的拉伸载荷，从而有效地减少净影响或“总应力”。在实际中，残余应力对性能的影响更为微妙，需要对残余应力进行彻底的确定和控制。

　　X射线衍射残余应力测量方法

　　有几种方法可以提供近齿面残余应力信息。XRD是一种在喷丸和其他类似的表面处理过程中准确、实用的近表面残余应力定量分析方法。与其他可用的机械、超声波或磁性方法相比，XRD还具有许多优势。此外，该技术的工业标准已由EN、ASTM和SAE公布，进一步建立了表面和近表面应力表征的方法。

　　X射线衍射，顾名思义，需要利用称为X射线的电磁辐射。X射线比可见光能量高，但波长短。因此，它们可以用来探测大多数晶体材料的原子间距离，通常在给定材料的表面穿透1 - 10微米。残余应力测量中使用的X射线通常被称为“软X射线”，因为它们的能量比医学成像中常用的“硬”X射线要低。为了最大的商业利益，目前的XRD设备，x射线功率低，安全工作距离短(6-10英尺)。然而，安全预防和联锁系统是必须具备的。

　　根据布拉格定律，X射线以等于2的角度从材料的晶体晶格衍射出来。如图1a所示，为入射X射线的波长，为衍射角，d为晶格间距。因此，如果波长是已知的，衍射角可以被准确的测量，可以很容易地计算晶格间距。

图1 a)布拉格定律所描述的x射线衍射说明;

b)压缩、拉伸和中性应力状态

　　通过在测量体中假设平面应力状态，可将垂直于表面方向的晶格间距d用作非应变参考。这样就不需要无压力的参考样品，然后记录下不同的非法线角度，通常称为或倾斜角，如图2所示。将测量到的衍射角与每个角记录的晶格间距变化(d)进行比较，得到d与衍射角的线性分布，如图1b所示。这个信息，结合适当的材料参数(模量和泊松比)，产生平行于平面方向的应力。任何平面内的应力方向都可以通过简单地旋转样品或衍射测仪头来测量。值得注意的是，通过测量红外三个独立的方向(在一个单一的位置)，可以确定平面主应力。

　　在许多情况下，仅仅测量表面残余应力是不够的。例如，如图3所示，一个滥用的磨削零件可能在表面上有残余压应力。正是磨削拉应力的存在导致了早期的破坏，这种应力与深度的信息可以通过增量层移除和随后的操作来获得每个新的自由表面的XRD测量。这一过程通常称为X射线衍射残余应力深度剖面。去除层通常是通过局部电解来实现的，以避免引入新的应力或引起试样中其他地方应力的明显重分布。不过，必要时也有修正。

　　通常，X射线衍射深度剖面被限制在大约1毫米的最终深度，但在适当的情况下，可以测量到更大的深度。对于许多制造过程，如图2所示，1mm远远超过了完全残余应力所需的深度。

图2 在两个不同的psi角度和相关的测量方向进行衍射仪头部测量