공구강의 X선 회절 잔류 응력 측정

응력은 결코 측정되지 않고, 변형률이 측정됩니다

모든 응력 측정 방법은 다른 무언가를 측정하고 그것으로부터 응력을 계산합니다. X선 회절에서 측정되는 양은 결정 격자면 집합의 간격이며, 이는 격자가 탄성 변형될 때 변합니다. 빔이 회절되는 각도는 브래그 법칙을 따르므로, 격자 간격의 변화는 회절 각도의 이동으로 나타납니다. 격자 간격은 빔에 대한 시편의 최소 두 가지 알려진 방향에서 측정되며, 응력은 격자의 선형 탄성 왜곡을 가정하여 이들 사이의 변화로부터 계산됩니다.

The lattice spacing is what the diffractometer actually reads, and the geometry that relates one to the other is the Bragg relation.

여기서 두 가지 결과가 따르며, 둘 다 수치를 두고 논쟁할 때 중요합니다. 첫째, 탄성 변형률만이 평균 격자 간격을 변화시키므로, 이 방법은 탄성 변형률만을 보고합니다. 탄성 한계를 넘으면 추가 변형은 거시적 응력을 높이는 대신 전위를 이동시키고 격자를 교란시키며, 이는 심하게 냉간 가공된 표면이 동일 강재의 어닐링 상태 항복 강도 이상의 응력을 담을 수 있는 이유입니다. 둘째, 결과는 부피에 대한 평균이며, 그 부피는 조사 면적의 크기와 빔이 들어가는 깊이에 의해 결정됩니다. 철, 니켈 및 알루미늄 기반 합금에서 회절 방사선의 절반은 약 0.005 mm 깊이의 층에서 나오며, 이것이 이 방법이 어떤 기계적 또는 초음파 방법도 접근할 수 없는 깊이 프로파일을 분해하는 이유입니다.

동일한 스캔이 두 가지 다른 것을 제공합니다. 결정립 크기에 비해 큰 거리에 걸쳐 확장되는 거시 응력은 회절 피크의 위치를 이동시킵니다. 냉간 가공과 경도 뒤의 스칼라 상태인 미시 응력은 이를 넓힙니다. 피크 위치와 피크 폭은 동일한 측정에서 읽히므로, 제대로 보고된 결과는 응력 수치와 냉간 가공 또는 경도 수치를 함께 담을 수 있습니다.

어떤 방사선과 어떤 피크

정밀도는 회절 각도에 따라 향상되므로, 실제 작업에는 약 120도 2θ 이상의 피크가 필요합니다. 실제로 이는 선택을 몇 가지 조합으로 좁힙니다. 경화된 철계 합금에서 표준 기법은 (211)면에 대한 크롬 Kα 방사선이며, 이는 피크를 약 155~156도 2θ에 위치시킵니다. 오스테나이트계 스테인리스 및 니켈 기반 합금에서 통상적인 선택은 약 146~148도의 (420)면에 대한 구리 Kα입니다.

방사선 선택은 형광 문제도 마주합니다. 철, 크롬 또는 티타늄을 함유한 합금에 대한 구리 Kα는 회절 빔 자체보다 수 배 더 강한 형광 배경을 생성하여, 피크 위치가 의존하는 신호 대 잡음비를 파괴합니다. 박막 필터가 일부 경우에 도움이 되고, 결정 모노크로메이터나 고체 검출기가 문제를 제거하지만, 빠른 응력 작업에 사용되는 위치 감응 검출기는 가스 충전식 또는 스크린식이며 형광을 분리할 수 없습니다. 공구강에서 이것이 크롬 기법이 지배적인 한 가지 실용적 이유입니다.

탄성 상수가 결과값을 좌우합니다

응력은 사용된 X선 탄성 상수에 비례하며, 그 상수는 합금의 체적 탄성 계수가 아닙니다. 그것은 면이 측정되는 특정 결정학적 방향에 속하며, 대부분의 금속이 탄성적으로 이방성이므로 핸드북 값과 수십 퍼센트 차이가 날 수 있습니다. 이 상수는 실제 합금의 시편을 4점 굽힘으로 하중을 가하고 격자 간격이 적용 응력에 따라 어떻게 움직이는지 기록하여 경험적으로 측정됩니다.

아래 표는 응력 보고서가 측정 대상 합금을 명시해야 하는 이유입니다. 측정값 대신 체적 값을 사용하면 나열된 철계 합금에서 결과에 7~19퍼센트의 체계적 비례 오차가 들어가며, 이 글은 모든 합금에서 최악의 경우를 40퍼센트로 제시합니다. 탄성 상수가 19퍼센트의 불확실성을 지니는데 유효 숫자 세 자리로 인용된 판독값은 실제로 갖지 못한 정밀도로 인용된 판독값입니다.

동일 합금의 벌크 값에 대해 4점 굽힘으로 측정한 X선 탄성 상수이며, 45도 틸트에서 회절 피크를 1도 이동시키는 데 필요한 응력입니다. 출처: 다음의 Table 1 X선 회절 잔류 응력 기법, ASM Handbook, Volume 10.

이 표에는 감도 열도 있습니다. K₄₅ 는 45도 틸트에서 피크를 1도 이동시키는 데 필요한 응력이므로, 값이 클수록 감도가 낮은 기법입니다. (211)에 대한 크롬 Kα는 이 강종들에서 약 627~724 MPa 사이에 있고, 오스테나이트계 등급에 대한 구리 Kα 기법도 같은 범위에 있어, 이 방법이 경화 부품에서 중요한 응력 수준을 분해할 수 있게 합니다.

표면 아래로 들어가기

깊이 프로파일링은 재료를 제거하고 다시 측정하여 수행하며, 제거하는 유일한 허용 방법은 전해연마입니다. 모든 기계적 방법은 연마재나 절삭 공구에 관계없이 표면을 변형시키고 자체 잔류 응력을 유발하므로, 층을 연삭 또는 기계가공으로 제거한 후 측정하면 측정 대상이 파괴됩니다. 두꺼운 층을 제거해야 하는 경우, 이 논문의 규칙은 대부분을 기계가공 또는 연삭한 후 최소 0.2 mm를 전해연마하여 손상을 제거하는 것입니다.

그런 다음 두 가지 보정을 적용해야 하며, 둘 중 하나라도 건너뛰면 프로파일이 잘못됩니다. 빔은 시편에 들어가고 나올 때 지수적으로 감쇠되므로, 급격한 구배 위에 있는 표면에서 측정하면 해당 표면의 응력이 아니라 가중 평균이 반환됩니다. 연삭 표면 아래에서처럼 구배가 급격히 변하는 경우, 보정값은 345 MPa에 달할 수 있습니다. 두 번째 보정은 응력이 있는 층을 제거하면 남은 재료가 이완된다는 사실을 고려하며, 전체 케이스가 제거된 유도 경화 샤프트에서 이 보정값은 최대 깊이에서 550 MPa에 달했습니다.

응력 수치가 사실로 인용되기 전에 알아둘 가치가 있는 오차 원인. 기사 본문에서 편집함.

연삭 번은 이 방법이 진가를 발휘하는 부분이다

기사에서 가장 명확한 사례는 50 HRC의 4340 시료 세트로, 두 개는 번을 유발하도록 과도하게 연삭하고 하나는 충분한 냉각제로 완만하게 연삭한 것이다. 판독값의 차이는 정도의 문제가 아니다. 완만하게 연삭한 표면은 약 −400~−520 MPa의 균일한 압축 상태였다. 과도하게 연삭한 한 시료는 전체 폭에 걸쳐 +275~+825 MPa의 인장 상태였다. 다른 하나는 혼합 상태였고, 육안으로 보이는 연삭 번은 정확히 인장 피크 위에 있었다. 그런 다음 동일한 표면을 하나의 큰 조사 면적으로 판독했을 때, 결과는 소면적 판독값의 대략 산술 평균으로 나왔는데, 즉 번이 빔 크기에 의해 평균화되어 사라진 것이다.

50 HRC의 4340 강 시료 세 개에 대한 표면 응력, 0.5 mm 폭 빔으로 측정한 후 13 mm 폭 빔으로 측정. 출처, 사례 3 X선 회절 잔류 응력 기법, ASM Handbook, Volume 10.

여기에는 두 가지 실용적인 경고가 따른다. 단일 표면 판독 또는 번을 드러내기 위해 사용하는 나이탈 에칭은 모두 공구 수명을 단축시킬 표면 아래 인장층을 놓칠 수 있는데, 번이 항상 보이는 것은 아니고 표면 측정이 항상 번이 있는 곳에서 이루어지는 것도 아니기 때문이다. 다이 면이나 펀치의 연삭 번이 작동하는 공구와 치핑되는 공구를 가르는 공구강에서는, 유용한 사양은 조사 면적과 측정점 수를 결과 옆에 기록하는 것이다. 연삭 작업이 어디까지 밀어붙일 수 있는지, 그리고 번 표면이 절개된 후 어떻게 보이는지에 대한 우리의 기록은 다음에 있다 공구강 연삭성 및 연삭 휠 선택 그리고 다음에 EDM이 남긴 백색층.

정렬, 결정립 크기 및 피크 피팅

격자 변형이 작기 때문에 피크 위치는 약 0.01도까지 정확히 찾아야 하며, 전체 정렬이 이를 뒷받침할 만큼 충분히 좋아야 한다. 0.025 mm의 정렬 또는 위치 오차는 높은 회절 각도에서 약 14 MPa의 계통 오차를 결과에 넣으며, 각도가 낮아짐에 따라 빠르게 증가한다. 검사는 느슨하게 압축된 무응력 분말로 하며, 이는 약 ±14 MPa 이내로 판독되어야 하고, 절차는 ASTM E915에 포함되어 있다. 결정립 크기도 한계를 정한다. 조대 결정립은 빔에 너무 적은 결정을 보내고 피크가 비대칭이 되며, 이는 무작위 오차로 나타나므로, 시료를 경사 축에 대해 몇 도 흔들어 더 많은 결정을 회절에 참여시켜 작업 가능 범위를 약 ASTM 결정립 크기 1까지 확장한다.

피크 위치는 실험실 간의 숨은 변수이므로 언급할 가치가 있다. 강에 사용되는 크롬 Kα 방사선은 이중선이며, 두 선은 경도에 따라 다르게 혼합된다. 완전히 어닐링된 시료는 심하게 혼합된 거의 대칭적인 피크를 주는 반면, 완전히 경화되거나 냉간 가공된 시료는 넓은 피크를 주고, 부분적으로 분리된 이중선은 중간 상태와 경사 중 시료가 디포커스될 때 나타난다. 피크 상단에 포물선을 피팅하는 것은 대칭 프로파일에서는 적절하지만 부분적으로 분리된 프로파일에서는 오도할 수 있으므로, 더 신중한 실험실은 두 선에 각각 Pearson VII 분포를 피팅한다. 따라서 두 실험실은 순전히 피크 피팅 방법 때문에 동일한 데이터에서 다른 응력을 보고할 수 있다.

동일한 스캔은 경도도 보고한다

피크 폭은 격자 내 미세응력을 추적하며, 경화강에서는 미세응력이 경도를 충분히 밀접하게 추적하여 측정 수단으로 사용할 수 있습니다. 이 글은 M50 고속도강에 대한 곡선을 제시하며, 여기서 (211) 피크의 반높이 폭은 Rockwell C 경도에 대해 교정되었습니다. 그러면 깊이 프로파일이 두 곡선을 동시에 나타낼 수 있으며, 이는 케이스가 얇고 경도가 깊이에 따라 빠르게 변하여 일반적인 경도 횡단 측정으로는 분해할 수 없는 침탄 경화 또는 유도 경화 부품에서 이 기법을 유용하게 만드는 점입니다. 동일한 원리가 이 주제의 미세압입 측면의 배경이며, 이는 다음에서 다룹니다 공구강의 미세압입 경도 시험.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

잔류응력 수치는 그것과 함께 따라오는 네 가지 사항, 즉 사용된 방사선과 피크, 탄성 상수 및 그것이 합금에서 측정되었는지 아니면 벌크 표에서 가져왔는지, 판독값이 나타내는 깊이와 면적, 그리고 피크 피팅 방법만큼만 신뢰할 수 있습니다. 고객이 열처리 사이클을 검증하거나 균열 문제를 조사하는 경우, 그 네 가지 항목을 요청할 가치가 있으며, 균열 불만에 대한 답은 보통 표면 값이 아니라 깊이 프로파일에 있습니다. 측정이 가정된 것과 다른 것을 보고하는 더 넓은 방식들은 다음에서 다룹니다 공구의 잔류 응력 측정, 잘못된 담금질 후에 발생하는 균열은 다음에서 다룹니다 공구강의 담금질 균열, 그리고 동일한 응력이 일반 열처리 중에 재분배되는 방식은 다음에 있습니다 공구강 변형. 고유한 열처리 관행을 가진 등급군은 다음 아래에 수집되어 있습니다 냉간 작업, 뜨거운 작업 그리고 high speed 공구강, 그리고 등급을 여전히 선택해야 하는 경우, 경로는 다음과 같습니다 공구강 선택 방법.

출처: ASM Handbook, Volume 10, Materials Characterization, ASM International, 1986.