GB/T 39520-2020.Test method for determination the residual stress of spring by X-ray diffraction.
1范围
GB/T 39520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。
GB/T 39520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/T 1805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/T 1805 和GB/T 7704界定的术语和定义适用于本文件。
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。
引起弹簀微观组织结构改变(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。

ICS21.160
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 diffraction2020-11-19发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2021-06-01实施
本标准按照GB/T1.1—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。GB/T39520—2020
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、江西长力方大汽车零部件有限公司、山东汽车弹簧厂淄博有限公司、江苏东方众联工业技术有限公司、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：轰轮、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、王垭栋、吴亮亮、李松火、惠恩栋。1
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1范围
弹簧残余应力的X射线衍射测试方法GB/T39520—2020
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。
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/T7704无损检测X射线应力测定方法JB/T9394
无损检测仪器X射线应力测定仪技术条件术语和定义
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
d。：材料无应力状态的晶面间距d：法线处于和亚角定义方向上的晶面间距（hkl）：晶面指数为（hkl）的晶面族（L1L2Ls）：实验室坐标系
LP：洛伦兹偏振因子
（S，S，,S.）：试样坐标系.S.由操作者定义S.，Sh）：（hkz)晶面的x射线弹性常数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E：中和亚角定义的方向上的应变6：布拉格角，衍射角20的1/2，亦即人射X射线或衍射线与衍射晶面之夹角a：角方向的正应力
0：正应力分量（=1,2.3）
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GB/T39520—2020
t：0，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（j=1，23：=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。：人射角，即人射线与试样表面法线之夹角W：在义=0即扫描平面垂直于试样表面的条件下入射×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勾变形及热处理相变；b）化学变化：弹簧氧化、渗氮和电镀等化学处理，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（单个晶粒或儿个原子范围内）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。
2X射线测定方法
按现有不同种类衍射装置的几何布置，采用以下两类基本应力测试方法a）同倾法：应力方向平面（业平面）与20平面重合的测定方法。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b）
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
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7.2测角仪
7.2.1总则
GB/T39520—2020
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20范围自动获得衍射曲线的功能。对测角仪的基本要求如下：一20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；一接收反射线的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；—重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
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十14MP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
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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，应保证实际的角或亚。角的准确度。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Y。=0°的标志线。8.1.4剥层方法
剥层方法规定如下：
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c）
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
剥层深度
>50~150
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。深度偏差
单位为微米
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。钢板弹簧：测定应力方向为钢板轴线0°或90°，如图3所示。b)
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
图1右旋螺旋弹簧材料轴线的45°方向4
图2左旋螺旋弹簧材料轴线的135°方向rKaeerKAca-
图3钢板弹簧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
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图4稳定杆、扭杆材料轴线0°或90°方向依据布拉格定律，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品面，并给出相应的荷射角20、X射线弹性常数Ss.）和S,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材料
铁素体钢、
珠光体钢、
贝氏体钢及
马氏体钢
奥氏体钢
8.2.2单或。角设定
滤波片
10-mmN
St ihkn
10-mmN-1
EMPa/（)]
Zo/μm
设置亚角或亚角时，宜尽量使得sin2亚值近于等间隔。亚角或亚角的选择宜在0～45°之间，个数宜不低于4个。
8.2.320范围设定
正确设定29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。KaeerKAca-
GB/T39520—2020
注：计数即探测器在规定的时间内接收的X光子数目。计数越高则随机误差越小8.2.5定峰方法
定峰方法即在测得的衍射曲线上确定衍射峰位（衍射角20）的方法。定峰方法选择原则如下：在能够得到完整钟罩型衍射曲线条件下，应选择利用原始衍射曲线数据较多的方法，可选择交相关法、半高宽法、重心法、抛物线法等函数拟合法在采用侧倾固定亚法的前提下，如果因为某种原因无法得到完整衍射曲线而只能得到衍射峰主体部分，或者衍射峰背底受到材料中其他相衍射干扰，则作为近似处理，可不扣背底，而采用抛物线法或“有限交相关法”定峰，同时注意合理选择取点范围，尽量避免背底干扰。在一次应力测试中，对应于各亚角衍射曲线定峰方法应是一致。9数据处理
测试数据处理方法见附录B。
10测试不确定度
测试不确定度包含试样材料引入的不确定度、系统效应引人的不确定度和随机效应引人的不确定度三个分量。为了提升测试可信度，应从这三个方面着手进行分析应力测量不确定度主要来源于数据点（20，sin亚）或（e，sin业）相对于拟合直线的残差。不确定度的计算方法见B.5。
11试验报告
11.1一般性测试参数信息bzxZ.net
试验报告中应包括以下一般性测试参数信息：试样名称、编号、材质、状态、晶体结构类型以及测试点部位、应力方向等；测定方法、定峰方法、衍射品面、辐射、应力常数（X射线弹性常数）等：亚角、20范围、扫描步距/分辨率、采集时间（曝光时间）、准直管直径或人射狭缝尺寸（光斑尺寸）、X射线管电压电流等。
11.2试验报告内容
试验报告至少包括以下测试结果的内容：应力值（带正负符号）；建议给出e一sin2亚图或20一sin2亚图，一定置信概率之下的不确定度；还宜记载半高宽、积分宽、衍射角、最大衍射强度、积分强度等。实验操作者、审核者、批准者姓名，来样甘期、测试日期等。11.3试验报告示例
试验报告示例参见附录C。
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A.1基本原理
附录A
（资料性附录）
X射线应力测试基本原理
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对于多晶体材料而言，宏观应力所对应的应变被认为是相应区域里晶格应变的统计结果，因此依据X射线衍射原理测得晶格应变可计算应力在构件负载的情况下，测得的应力值是其残余应力与载荷应力的代数和。在X射线应力测试中建立如图A.1所示的坐标系统说明：
垂直于试样表面的坐标轴（试样表面法线）；试样表面上的一个点；
空间某一方向；
OP在试样平面上的投影所在方向，亦即应力的方向和切应力作用平面的法线方向注：在X射线应力测定中，将OP选定为材料中衍射晶面(hkl)的法线方向，亦即人射光束和衍射光束之角平分线。图A.1与X射线衍射应力测试相关的正交坐标系根据弹性力学理论，在宏观各向同性多晶体材料的O点，由Φ和平（见图A1）确定的OP方向上的应变可以用公式（A.1)表述：
Szh3cos\T+
=Sth)[o+22+oa]+
..(A.1)
S[tiaco+2singsin2
[ocos+a22sin+t12sin2sin\y+
式中：
材料的O点上由和亚确定的(hkl)OP方向上的应变；S)
Q11,022033
材料中hl晶面的X射线弹性常数
O点在坐标S1.S.和S：方向上的正应力分量；O点以S,为法线的平面上S.方向的切应力；rKaeerKAca-
GB/T39520—2020
O点以S为法线的平面上S，方向的切应力：O点以S,为法线的平面上S，方向的切应力。式中材料中hkl）晶面的X射线弹性常数S(）和和泊松比V确定，可以用公式（A.2)和公式（A.3)表述：Sr=-
式中：
式中：
杨氏模量；
泊松比。
杨氏模量；
泊松比
-S）由材料中（hkl）晶面的杨氏模量E(A.2)
...(A.3)
设应力分量。为S，方向的上正应力（见图A.1），，为6作用面上垂直于试样表面方向的切应力导出公式（A.4)和公式（A.5)为：o,=[oucos+o22sin+t2sin2]
t+=[tiscosp+T23sing]
由公式（A.1)得公式（A.6)为：=S[ou+022+0]
式中：
6——中方向上的正应力分量；
Scos+-
0作用面上垂直于试样表面方向的切应力分量。-(A.4)
Sth)tsin2y(A.6)
对于大多数材料和零部件来说，X射线穿透深度只有几微米至几十微米，因此通常假定63a0。在X射线穿透深度很大或者多相材料的情况下应谨慎处理，参见GB/T7704，所以公式（A.6)式可以简化为公式（A.7）：
e=S[on+022]+
Suh)+sin+
Shytusin2y
...(A.7)
使用X射线衍射装置测得衍射角20，根据布拉格定律求得与之对应的晶面间距为d，则晶格应变e可用晶面间距来表示，见公式（A.8）：dw
式中：
(sino。
材料的O点上材料无应力状态对应于(hkl)的布拉格角；衍射角20的1/2；
材料的O点上以OP方为法线的(hkl）所对应的衍射角，由衍射装置测得；材料无应力状态《hkl）的晶面间距；材料的O点上以OP方为法线的hkl）的晶面间距，由测得的20求出。公式（A.8)为真应变表达式，亦可使用近似方程，见公式（A.9)或公式（A.10）：rKaeerKca
e）=-（0-00）.
.coto。
GB/T39520—2020
.......+(A.9)
使用公式（A.8）计算应力时不需要d。和0。的精确值。公式（A.9）和公式（A.10）为近似计算公式rrKaeerkAca-
GB/T39520—2020
B.1概述
附录B
（规范性附录）
数据处理
仪器采集到的数据是衍射强度I（或计数）沿一定范围的反射角29的分布曲线。需要进行的数据处理包括扣除背底、强度因子校正、定峰，还包括应力值计算和不确定度计算。也可先将衍射曲线进行二次三项式拟合或合适的钟罩型函数（如高斯、柯西等）拟合，然后进行上述数据处理。B.2背底校正
测试仪器的探测器采集到的衍射曲线所包含的与布拉格衍射无关的背底应予以扣除，以得到纯净的衍射峰
如果衍射曲线不是一个孤立的衍射峰，所选用的衍射峰的背底与其他衍射峰有一定程度的重叠，则不宜轻易扣除背底，否则会造成大的偏差（见8.2.5）。3强度因子校正
为了得到正确的衍射角，宜对衍射峰作洛伦兹-偏振因子LP和吸收因子A校正。但是洛伦兹-偏振因子LP与亚角无关，不影响应力值的计算，应力测定可不作此项校正；在同倾法的条件下吸收因子A与业角密切相关，应进行校正。B.4定峰
依据8.2.5可选择半高宽法、抛物线法、重心法等方法确定衍射角20。B.5应力值不确定度计算
设X，=sin，，Y代表e或20，，M代表M或M2，则应变e或衍射角20对sin亚的拟合直线关系可表达为A十MX，，A为直线在纵坐标的截距，见公式（B.1)：A=Y-MX
式中：
A一一应变ε或衍射角20对sin的拟合直线在纵坐标的截距；x—sin\亚，的平均值；
——应变或衍射角20的平均值。x见公式(B.2)：
rKaeerKAca-
.(B.1)
.(B.2)
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