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专家专栏

ASTM E915是美国的应力检测标准吗?看看ASTM E915都讲了什么

发布时间:2022/03/14

一 、X射线应力测定的历史与标准

 

早在1929年,前苏联学者阿克先洛夫就提出了运用X射线衍射测定应力的基本思路;1961年,德国学者马赫劳赫(E. Macherauch)在此基础上提出了sin2ψ法,逐渐成为X射线应力测定的标准方法。这一方法的运用,使X射线应力测定成为成熟的、具有可操作性的测试技术。

 

熟悉X射线应力测定的朋友,一定都知道我国国家标准GB/T 7704-2017和欧盟标准EN15305-2008。这两项标准对于X射线应力测定的原理、计算方法、仪器、样品、测定程序等内容都有详细的规定,对于指导和规范残余应力检测具有十分重要的意义。

 

此外,我们在网络上检索X射线应力测定的标准时,经常会在检索结果中发现ASTM E915的身影,其中文名称一般为“残余应力测量用X射线衍射仪校准检定的标准试验方法”。

 

目光落在标准名称结尾的“标准试验方法”字眼上,很容易将该标准理解为X射线应力测定的方法标准。

 

而且,在众多场合中,ASTM E915还常常伴随欧盟标准EN15305-2008出现。

 

如在一些资料中还有如下的表述:欧盟标准委员会(CEN)于 2008年7月4日批准了新的X射线衍射残余应力测试标准EN 15305-2008 “Non-destructive Testing - Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction”,该标准于2009年2月底在所有欧盟成员国正式施行。与之相呼应,美国试验材料学会(ASTM)也于2010年7月发布了最新的美国标准版本 ASTM E915-10 “Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。

 

对于习惯了欧、美、中三足鼎立的我们,不禁要问,ASTM E915就是X射线应力测定方法的美国标准吗?

 

带着这一疑问,我们来看看ASTM E915到底讲了些什么。

 

二 、ASTM E915主要内容

 

ASTM E915标准现行版本是于2016年8月发布的ASTM E915-16,标准全称为:

 

Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement

 

可直译为:残余应力测量用X射线衍射仪校准检定的标准试验方法。

 

除非明确说明,以下均以ASTM E915-16版本为对象进行讨论。

 

第一节:范围(1.Scope)

1.1 This test method covers the preparation and use of a flat stress-free test specimen for the purpose of checking the systematic error caused by instrument misalignment or sample positioning in X-ray diffraction residual stress measurement, or both.

本试验方法涵盖了平整无应力试样的制备和使用,用于检查X射线衍射残余应力测定仪器由于未对准或样品定位引起的系统误差。

 

1.2 This test method is applicable to apparatus intended for X-ray diffraction macroscopic residual stress measurement in polycrystalline samples employing measurement of a diffraction peak position in the high-back reflection region, and in which the θ, 2θ, and ψ rotation axes can be made to coincide.

本试验方法适用于多晶样品的X射线衍射宏观残余应力测定装置,该装置采用高背反射区衍射峰位置的测量,其中θ,2θ和ψ旋转轴可以重合。

 

1.3 This test method describes the use of iron powder which has been investigated in round-robin studies for the purpose of verifying the alignment of instrumentation intended for stress measurement in ferritic or martensitic steels. To verify instrument alignment prior to stress measurement in other metallic alloys and ceramics, powder having the same or lower diffraction angle as the material to be measured should be prepared in similar fashion and used to check instrument alignment.

本试验方法中的铁粉,是用于铁素体或马氏体钢材料应力测定仪器的校准检定。对于其他金属合金和陶瓷应力测定仪器的检定,应以类似方法制备与待测材料具有相同或更低衍射角的粉末。

 

1.4 This standard does not purport to address all of the safety concerns, if any, associated with its use. It is the responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability of regulatory limitations prior to use.

本标准并非旨在解决与其使用相关的所有安全问题(如有)。

 

第二节:引用文件(2. Referenced Document)

第三节:术语(3.Terminology)

第四节:意义及应用(4.Significance and Use)

 

4.1 This test method provides a means of verifying instrument alignment in order to quantify and minimize systematic experimental error in X-ray diffraction residual stress measurement. This method is suitable for application to conventional diffractometers or to X-ray diffraction instrumentation of either the diverging or parallel beam types.

该测试方法提供了一种验证仪器校准的方法,以量化并最小化X射线衍射残余应力测量中的系统实验误差。该方法适用于常规衍射仪,也适用于发散或平行光束类型的X射线衍射仪器。

 

4.2 Application of this test method requires the use of a flat specimen of stress-free material that produces diffraction in the angular region of the diffraction peak to be used for stress measurement. The specimen must be sufficiently fine-grained and isotropic so that large numbers of individual crystals contribute to the diffraction peak produced. The crystals must provide intense diffraction at all angles of tilt, ψ, which will be employed.

本试验方法的应用要求使用无应力材料的平整试样,该试样用于应力测量的衍射峰的角区域内产生衍射。试样必须具有足够的晶粒度和各向同性,以便大量的晶粒参与衍射形成衍射峰。晶体必须在检测用到的所有倾斜角度提供强烈的衍射。

 

第五节:程序(5.Procedure)

 

要点解读:

试验程序主要可分为4个部分,分别是:仪器校准(5.1)、X射线光学(5.2)、样品准备(5.3&5.4)、校准检查(5.5)

 

1)仪器校准(5.1)

将X射线衍射应力检测仪器或装置进行校准,主要是机械结构方面,达到以下要求:

  • θ,2θ和ψ旋转轴重合;
  • 入射X射线与2θ和ψ旋转轴重合;
  • 对于衍射仪,当2θ为0°时,X射线管焦点、2θ和ψ旋转轴轴心和接收狭缝应处在一条直线上;对于采用高背衍射区检测的X射线应力仪,应对2θ进行校准;
  • 调整样品测点的对焦距离,使被测样品的表面处于θ和ψ旋转轴中心;
  • 保证ψ角精度。

 

2)X射线光学(5.2)

  • 尽量使用高角度衍射角
  • 能够进行Kα1和Kα2的分离

 

3)样品准备(5.3&5.4)

  • 粉末粒径在1μm至45μm范围内;
  • 粉末采用真空退火处理;
  • 采用标准所列方法,将粉末制备成无应力样品。

 

4)校准检查(5.5)

  • 调整样品高度至仪器检测焦点,注意保护样品表面;
  • 不改变样品位置,进行连续5次测定

 

第六节 结果的计算和解释(6.Calculations and Interpretation of results)

 

6.1 系统误差

要点概述:

 

当5次检测的平均值在14MPa以内,可根据实际情况考虑是否对仪器进行校准调整;当大于14MPa时,应重新校准(重复5.1、5.4程序)。

当结果使用应变值时,正应变的均值应小于100ppm,剪切应变的均值应小于50ppm。

 

6.2 随机误差

要点概述:

 

5次检测的标准差应在6.9MPa以内。

当标准差大于14MPa,应检查仪器和检测条件,以分析误差的来源。

当结果使用应变值时,正应变的标准差应小于100ppm,剪切应变的标准差应小于50ppm。

 

第七节 精度和偏差(Precision and Bias)

 

7.1

要点概述:

 

精度与所用的检测仪器和数据处理两个方面相关。

使用这种循环检查方法的初步结果表明,标准衍射仪和X射线应力分析仪的精度能够达到14MPa,使用标准差计算的精度(随机误差)可达到±6.9MPa。

 

7.2

要点概述:

 

这种方法评价的精度可以认为是绝对的,使用这种方法获得的绝对偏差,全部来自仪器本身。

纵观标准全文,ASTM E915-16是一个名副其实的关于X射线应力测定装置的检定标准,它提出了一个运用无应力试样进行检测并判定仪器校准状态的方法,方法包含了无应力试样的制备、检测试验方法、判定指标等具体内容。这一检定方法既适用于传统结构衍射仪,又适用于专门的X射线应力分析仪。

 

三、 后记

 

ASTM E915标准首次发布于1983年,先后经过1985年、1990年、2010年和2016年的历次修订。

 

ASTM E915标准提出的使用无应力样品检测来检定仪器的方法,是一种有效且方便快捷的方法。而且这一方法能够以量化的应力结果评价仪器的精度与偏差,对于仪器的应力测定这一功能来说,有十分直观的效果。

 

然而,单纯使用无应力样品进行检定的方法也有一定的局限性。简单来说,使用无应力粉末试样只能对仪器的零点进行检定,无法对有应力状态进行检定。因为无论测角仪ψ角准确与否,使用无应力粉末试样测定结果均接近0,无法从应力结果上判定仪器的状态是否正常。

 

EN15305-2008和GB/T 7704-2017关于检定都采用了使用一个无应力的参考样品和一个应力参考样品(ILQ试样或者LQ试样)进行试验的方法。这一方法弥补了零点检定的不足,能够达到了全面、有效检定仪器的目的,这也是目前检测实验室常用的质量内控方法。

 

回答文章开头的问题,ASTM E915是关于X射线应力测定装置的检定标准,而非X射线应力测定标准。

 

那么,美国主要应用的X射线应力测定标准是什么呢?

 

这一问题其实能够从ASTM E915-16标准中找到答案,这也是一个隐藏的、比较有意思的地方。

 

标准中出现有以下几条参考文献(注意不是引用文件):

[3] Residual Stress Measurement by X-ray Diffraction, SAE J784a, 1971
[4] Standard Method for X-Ray Stress Measurement, The Society of Materials Science, Japan, 20 April 1973
[5] SAE HS-784, Residual Stress Measurement by X-ray Diffraction, 2003

 

不同于ASTM E915检定标准,以上三个文献皆为X射线应力测定的检测方法标准。

 

其中:

[3]是美国汽车工程师学会于1971年发布的第一个关于X射线应力测定的行业标准SAE J784a,而[5]则是其于2003年修订的现行版本SAE HS 784-2003。

 

注:SAE是Society of Automotive Engineers美国汽车工程师学会的缩写。SAE标准是国际著名的标准体系,具有极高的权威性,其范围涵盖了汽车、航空航天等众多行业,在国际上被广泛采用。

 

[4]是日本材料学会于1973年发布的第一个关于X射线应力测定的国家标准JSMS-SD-10-73,目前的现行版本是JSMS-SD-10-05。

 

注:我国最早的X射线衍射法残余应力测试方法标准GB/T 7704-1987于1987年首次发布,其主要内容正是采标自日本标准。

 

至此,我们基本理清了X射线应力测定方法标准的完整发展历程。现行的X射线应力测定标准分别是:欧盟标准EN15305-2008、美国标准SAE HS 784-2003、中国标准GB/T 7704-2017和日本标准JSMS-SD-10-05。

 

残余应力是材料组织性能的重要表征,在制造领域能够发挥举足轻重的作用。欧美的一些先进制造业巨头,已经将残余应力测量与控制融入重要零部件的设计-制造-服役-维护全周期。

 

我国残余应力的研究与应用正处于成长期的关键阶段。

 

在检测能力这一方面,当前市场化运营的检测机构林立、众多制造企业也建立了自主的检测能力,但总体呈现较为明显的能力参差不齐的现象,这给应力的使用者带来了极大的困扰。

 

国内X射线应力仪检定/校准规范缺失、未能建立完善的检定/溯源体系,是造成这种局面的一方面原因。

 

在X射线应力测定技术和仪器的发展日新月异的今天,检测标准在不断修订完善,对于一些新测定技术,如面探测器采集德拜环的应力检测方法,在经过充分的验证后势必会纳入标准检测方法中。在标准体系中,完善仪器的检定/校准规范也是未来标准化工作的另一个重要内容,我国也会修订出类似ASTM E915的检定标准,甚至,更好!

 

本文内容仅代表笔者个人观点,仅供参考。

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