起重机车轮锻件残余应力场中子衍射全场测量方法

起重机车轮锻件残余应力场的精确测量对保障其服役安全性至关重要，中子衍射技术凭借其深层穿透能力和高空间分辨率，成为大尺寸锻件全场应力分析的理想手段。以下是系统性测量方法及关键技术要点：

1. 中子衍射测量原理

（1）基础理论

布拉格定律：

math

2d_{hkl}\sinθ = nλ \quad (λ≈0.1-0.3nm)

晶面间距变化Δd/d与应变ε的关系：

math

ε = \frac{d - d_0}{d_0} = -\cotθ⋅Δθ

应力计算：

math

  σ_{ij} = \frac{E}{1+ν}ε_{ij} + \frac{νE}{(1+ν)(1-2ν)}δ_{ij}ε_{kk}

（2）技术优势

参数中子衍射X射线衍射

穿透深度 50-100mm（钢） 10-30μm 

空间分辨率 1×1×1mm³ 0.1×0.1mm² 

可测应力深度 全场（表面至心部） 仅表面 

2. 测量系统配置

（1）设备要求

组件技术指标推荐型号

中子源 热中子通量>10⁸ n/cm²/s 中国绵阳CARR堆 

衍射仪 角度范围10°-160° SALSA@ILL（法国） 

探测器 3D位置灵敏探测器 3He多丝正比计数器 

样品台 六自由度机器人（定位精度±0.01mm） KUKA KR500 

（2）测量参数优化

晶面选择：

铁素体钢：{211}晶面（2θ≈90°）

奥氏体钢：{311}晶面（2θ≈92°）

光路配置：

入射光阑：10×10mm²

接收光阑：2×2mm²（提升空间分辨率）

3. 试样制备与测量方案

（1）取样策略

关键区域：

车轮

踏面表层

轮缘过渡区

轮毂心部

深度梯度0-50mm

R5圆角处

参考样制备：

电解抛光法获取无应力标样（d₀）

同批次小试样退火处理（600℃×2h）

（2）扫描方案

区域测点密度测量模式耗时估算

踏面表层 0.5mm步进 深度剖面扫描 4h/cm 

轮毂-轮辐过渡区 1mm×1mm网格 二维面扫描 8h/cm² 

整体三维场 5mm层间间隔 螺旋CT式扫描 24-48h/件 

4. 数据处理与验证

（1）数据校正流程

图表

代码

下载

原始数据

本底噪声扣除

吸收校正

几何畸变校正

应力张量计算

关键算法：

Rietveld全谱拟合（误差<±20MPa）

有限元辅助应力分离（区分I/II型应力）

（2）结果验证方法

技术对比参数一致性要求

盲孔法 表面应力值 偏差<±15% 

同步辐射X射线 表层50μm应力梯度 R²>0.95 

超声法 心部应力方向 角度差<10° 

5. 典型应用案例

冶金起重机车轮（34CrNiMo6，Φ1200mm）测量结果：

区域残余应力（MPa）应力类型

踏面表层 -320±25（压应力） 加工硬化主导 

轮缘R区 +180±30（拉应力） 几何约束导致 

轮毂心部 -50±15（压应力） 相变应力残留 

发现缺陷：

轮辐过渡区存在应力奇点（峰值420MPa）→ 后续疲劳裂纹源位置

6. 技术局限性及改进方向

（1）当前局限

时间成本高：全场扫描需24-72小时

设施依赖：仅限反应堆/散裂中子源

轻元素敏感度低：对H、Li等轻元素应力测量困难

（2）创新方向

高通量测量：

飞行时间法（TOF）多测点同步采集（效率提升5倍）

智能预测：

建立中子数据-FEM的应力场预测模型

便携式中子源：

紧凑型加速器中子源（如D-D/D-T中子发生器）

7. 标准与规范建议

ASTM E2860-12：中子衍射残余应力测定方法

ISO 21432:2019：中子应变测量标准

行业定制：

《起重机车轮锻件中子应力检测技术规范》

关键区域应力安全阈值：

拉应力≤0.6σ_y（σ_y为屈服强度）

压应力≥-0.8σ_y

该技术可精准揭示车轮锻件内部应力分布，为工艺优化（如热处理参数调整）和寿命预测提供科学依据。建议在核电、港口机械等高端装备领域优先应用，并结合超声、X射线等技术构建多尺度应力检测体系。