ICS 21.160 J 26 中华人民共和国国家标准 GB/T39520—2020 弹簧残余应力的X射线衍射测试方法 Test method for determination the residual stress of spring by X-ray diffraction 2020-11-19发布 2021-06-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T395202020 前言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由全国弹簧标准化技术委员会（SAC/TC235)提出并归口。 本标准起草单位：浙江美力科技股份有限公司、中机生产力促进中心、上海交通大学材料学院、上海 中国弹簧制造有限公司、杭州兴发弹簧有限公司、东风汽车悬架弹簧有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限 公司、广州华德汽车弹簧有限公司、邯郸市爱斯特应力技术有限公司、浙江金昌弹簧有限公司、华纬科技 股份有限公司、浙江伏牛钢板弹簧有限公司、山东联美弹簧科技股份有限公司、中车贵阳车辆有限公司、 无锡泽根弹簧有限公司、台州永正汽车零部件有限公司 本标准主要起草人：聂轮、程鹏、姜传海、周春涛、姜国焱、陈卫锋、刘富强、卢伟、吕克茂、费庆民、 方舟、吴坚铭、穆波、马永涛、吴辉明、张云山、王栋、吴亮亮、李松火、惠恩栋。 GB/T 39520—2020 弹簧残余应力的X射线衍射测试方法 1范围 本标准规定了采用X射线衍射原理检测弹簧（螺旋弹簧、钢板弹簧和稳定杆，以下简称“弹簧”）试 样残余应力的方法，内容包括弹簧残余应力的来源及分类、X射线应力测试原理及方法、仪器、步骤、数 据处理、测试不确定度和试验报告 本标准适用于由铁素体类、珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体钢制造的弹簧残余应力测试。 其他弹簧可参照使用。 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/T1805弹簧术语 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/T1805和GB/T7704界定的术语和定义适用于本文件。 4符号 下列符号适用于本文件。 A：吸收因子 do：材料无应力状态的晶面间距 d：法线处于Φ和亚角定义方向上的晶面间距 (hkl）：晶面指数为（hkl）的晶面族 （L1,L²,L）：实验室坐标系 LP：洛伦兹偏振因子 （S1，S2，S3）：试样坐标系，S1由操作者定义 Szu），S(hl）：(hkl)晶面的X射线弹性常数 2 Z:X射线穿透深度 β：积分宽度，即衍射峰去除与布拉格衍射无关的背底以后积分面积与最大强度之比 ：和亚角定义的方向上的应变 ：布拉格角，衍射角26的1/2，亦即入射X射线或衍射线与衍射晶面之夹角 ：Φ角方向的正应力 ：正应力分量（i=1,2,3） 1 GB/T39520—2020 T：作用面上垂直于试样表面方向的切应力分量 t：切应力分量（半j；i=1，2，3：j=1，2，3） 中：衍射晶面法线在试样平面的投影与试样平面上某一指定方向之夹角 X：扫描平面相对于试样表面法线的夹角 亚：入射角，即人射线与试样表面法线之夹角 W：在X=0即扫描平面垂直于试样表面的条件下入射X射线与试样表面之间的夹角 5弹簧残余应力来源及分类 5.1残余应力来源 弹簧残余应力有物理和化学两类来源，其中： a）物理变化：弹簧冷热成形和表面强化等引起的不均匀变形及热处理相变； b）化学变化：弹簧氧化、渗氮和电镀等化学处理。 5.2残余应力分类 5.2.1宏观残余应力 宏观残余应力指在较大的材料区域（众多晶粒范围）内存在，并保持平衡的内应力。 弹簧的成形、加工和热处理都会产生宏观残余应力。 5.2.2微观残余应力 微观残余应力指在较小的材料区域内（单个晶粒或几个原子范围内）存在，并保持平衡的内应力。 引起弹簧微观组织结构改变（亚晶块细化和显微畸变增大）的操作都会产生微观残余应力 6X射线应力测定原理及方法 6.1X射线应力测定基本原理 弹簧材料都是多晶体结构，宏观应力所对应的应变是相应区域里各个晶粒晶格应变的统计结果，依 据X射线衍射原理测定的晶格应变可计算出应力。对于多晶材料上某点，随着衍射晶面法线方向的改 变衍射峰发生的位移反映了宏观残余应力的大小，而衍射峰的半高宽和强度则与微观残余应力相关， 测定基本原理参见附录A。 6.2 2X射线测定方法 a) 同倾法：应力方向平面（亚平面）与20平面重合的测定方法 b）侧倾法（X法）：应力方向平面（亚平面）与20平面相互垂直的应力测定方法。 7测试仪器 7.1基本要求 X射线衍射应力测定仪应满足GB/T7704和JB/T9394的规定。 2 SZC GB/T39520—2020 7.2测角仪 7.2.1总则 测角仪是应力测定仪器的测量执行机构，应包括X射线管和探测器，应具备确定Φ角、改变亚角 和在一定的26范围自动获得衍射曲线的功能。对测角仪的基本要求如下： 20回转中心、亚回转中心、X射线光斑中心、仪器指示的测试点中心四者应相重合； 接收反射线的20范围：高角宜不小于167，低角宜不大于143°（某些专用测试装置不受此角度 范围的限制），宜能够正确给出衍射峰半高宽； 一亚角的范围一般宜设为0°～45 7.2.2X射线管 X射线管应根据被测材料类型选择Cr靶或Mn靶。 7.2.3探测器 应选择以下三种类型常用探测器之一： 单点接收的探测器（通过机械扫描获得衍射强度沿反射角的分布曲线）； 一线阵探测器（可一次获得整条衍射曲线）； 一一面探测器（可一次获得整个或部分德拜环）。 7.3入射准直管 人射准直管选择原则是X射线照射光斑直径应不大于被检材料线径或宽度的五分之一。 8测试步骤 8.1 测试准备 8.1.1测试设备准备 测试设备准备如下： a) 测试开始前应使用荧光屏检查仪器指示的测试点中心（激光点或指针尖端）与X光斑中心保 持一致。 b) 使用无应力铁粉对设备进行校验；仪器连续测试不少于3次，每次所得应力值应在土14MPa 以内；如果应力值超过土14MPa，应重新调整设备或测量参数。 8.1.2试样制备 8.1.2.1试样表面质量要求与处理方法 试样表面应无涂层、无污垢、无油膜与氧化层，测试点应避开磕碰划伤等缺陷。需要去除涂层、清理 表面时不可使用锉刀、砂布等，避免损伤金属表面以致产生附加应力。螺旋弹簧试样表面粗糙度Ra应 不大于10μm、钢板弹簧试样表面粗糙度Ra应不大于20μm，当不满足要求时，可使用电化学方法对测 试区域进行平整 8.1.2.2试样测试部位选择与制取 一般情况下测试部位应选取弹簧计算最大应力区域。如有特殊要求，由供需双方协商。试样须在 3 GB/T39520—2020 强冷却下进行切割，避免高温引起试样应力变化。试样长度至少是直径或测试面宽度的3倍 8.1.3试样固定与测试点对准 试样固定与测试点对准要求如下： a） 根据试样类型与尺寸合理选择固定夹具，以保证剥层测试过程中测试位置不变。 b) 按照测试设备规定的方法校准标定距离。按照仪器规定的方法，或借助于垂直验具、水平仪 等，调整仪器主轴线与测试点表面法线的重合度，应保证实际的亚角或亚。角的准确度。 c） 测角仪回转中心、X射线光斑中心、仪器指示的测试点中心三者应与试样测试点位置重合，目 测无偏差。 注：仪器主轴线即测角仪本身亚=0°或。=0°的标志线 8.1.4剥层方法 剥层方法规定如下： a) 当需要测试弹簧残余应力沿层深分布时，须使用电解抛光方法对测试部位进行逐步剥层，并逐 层进行应力测试 b) 电解抛光应将剥层区域周围的试样表面进行遮盖，以限制剥层区域的大小；以圆形剥层区域为 例，剥层区半径应比X射线光斑半径大2mm~3mm。 剥层时应避免表面粗糙度增加。剥层深度层次由供需双方协商。测量剥层深度时应使用测量 头半径不超过2mm的千分表，剥层深度偏差应满足表2的规定。 表2剥层深度偏差 单位为微米 剥层深度 深度偏差 #1 >0~50 >50~150 ±10 +20 >150 0 8.1.5测定应力方向 测定残余应力方向，可根据下列选择或根据供需双方协商。 a）螺旋弹簧：右旋螺旋弹簧测定应力方向为钢丝轴线45°，如图1所示。左旋螺旋弹簧测定应力 方向为材料轴线135，如图2所示。 b) 钢板弹簧：测定应力方向为钢板轴线0°或90°如图3所示。 c) 稳定杆、扭杆：测定应力方向为材料轴线0°或90，如图4所示。 90 135° 45° -0 图1右旋螺旋弹簧材料轴线的45°方向 图2左旋螺旋弹簧材料轴线的135°方向 4 GB/T39520—2020 .06 .061 0° 图3钢板弹簧0°或90°方向 图4稳定杆、扭杆材料轴线0°或90°方向 8.2测试参数及条件选择 8.2.1测试参数选取 依据布拉格定律，针对试样材料晶体结构合理确定辐射和衍射晶面。表4给出常用弹簧材料的晶 体结构、推荐使用的辐射和衍射晶面，并给出相应的衍射角20、X射线弹性常数一Szh）和S,（h)及应 力常数K，供参考。X射线弹性常数可计算获得。 表4常用材料晶体结构、辐射、滤波片、晶面、衍射角和应力常数表 晶体 衍射 重复 K/ 材料 滤波片 辐射 20 Zo/μm 结构 晶面 因子 10-6mmN [MPa/()] 10-mmN 铁素体钢、 珠光体钢、 体心 CrKα (211) 156° 5.81 1.27 -318 24 5.8 贝氏体钢及 马氏体钢 MnKα Cr 152° -289 面心 7.2 奥氏体钢 (311) 7.52 24 1.80 立方 CrKβ 149° -366 8.2.2 或。角设定 设置亚角或亚。角时，宜尽量使得sin亚值近于等间隔。亚角或业。角的选择宜在0～45°之间，个 数宜不低于4个。 8.2.320范围设定 正确设定26范围的原则是在所设定扫描范围内或探测器的采集范围能够使各个亚角都具备完整 的衍射峰。范围的宽度宜不小于衍射半高宽的4倍；为保证衍射峰的完整性，衍射峰两侧背底的长度宜 不小于1° 8.2.4扫描步距及采集时间设定 扫描步距及采集时间设定如下： a） 当需要时，扫描步距的选择以能够在经过二次三项式拟合之后得到比较平滑的衍射曲线而又 不至于过分消耗测试时间为目标。 b）一般最小步距宜不大于0.1°。单点探测器每步的采集时间、线阵或面探测器曝光时间的选择 以能够得到计数足够高、起伏波动相对较小的衍射峰，而又不至于过分消耗测试时间为目标。 5