宋策

摘 要：本文以航空发动机领域表面完整性技术为重点，详细介绍了表面完整性数据检测的方法手段病做了简单的对比，为后续系统开展表面完整性检测、评价研究提供技术基础。

关键词：表面完整性数据组；表面完整性评价方法；表面特征检测方法

1 引言

美国最先提出了三个级别表面完整性数据组，颁布了表面完整性国家标准，建立了完善的表面完整性表征与检测体系，西方先进航空发动机企业，如RR、GE等，在前期大龄数据积累的基础上，已经形成了比较完善的标准规范体系，采用验收标准+实验室检测的方式，详细规定了零件表面完整性表征数据的验收标准、检测方法及操作规范，因此可以在最大程度上保证检测结果的准确性和一致性，使零件表面完整性控制具备良好的研究基础。

2 表面完整性评价方法

Field和Kahles 在1972年详细论述了表面完整性的定义以及它的重要性，总结了被加工零件当时所面临的诸多表面完整性问题，并首次强调指出：传统或非传统加工工艺将会使合金表面和表层产生塑性变形、微观裂纹、相变、显微硬度、撕裂和裂纹、残余应力等冶金学变化。他们提出了三个级别表面完整性数据组，包括最小数据组标准数据组和扩展数据组。其中，最小数据组是一种最经济的表面完整性描述方式；标准数据组为重要的应用提供详细的数据；扩展数据组增加了疲劳试验、应力腐蚀以及补充的机械试验等。

3 表面特征测量方法

3.1 表面粗糙度

表面粗糙度的主要测量方法有比较法、印模法、接触测量和非接触测量。以TR240表面轮廓仪测量为例。当采用表面轮廓仪测量试件表面粗糙度时，取样长度L=0.8MM，评定长度LN=5XL=4.0MM。取样长度L是用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度，等于表面轮廓仪的截取长度，它可以限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。长度LN是评定轮廓所必须的一段长度，通常包括5个取样长度。采用接触式测量时更要注意，只显示粗糙度值得电子仪器对于不同特征的表面轮廓所测到的粗糙度值却几乎相同。

3.2表面纹理

采用接触式测量时，对不同表征的表面轮廓可能测到同样的粗糙度值。通过白光干涉测量法和原子力显微镜法等非接触测量方法，可以测到放映表面纹理的三维表面形貌图。

3.3 微观组织测量法

微观组织的观察主要利用透射电镜、电子探针、扫描电镜、X射线光电子谱仪及高分辨率电镜等仪器对相变、晶粒大小和晶粒分布的变化、晶格畸变、再结晶等进行拍照，获得一系列照片。在进行微观组织测量中，金相试样的制备应不改变或不损坏所需表面的特性状态，并保持完好的边缘。金相试样制备包括试件的截取、镶嵌、抛光和其他相关技术。

3.4显微硬度测量方法

3.4.1 接触式测量方法

硬度测定是指一定形状和尺寸的较硬物体（压头）以一定压力接触材料表面，测定材料在变化过程中所表现出来的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性变形的能力，有的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力。通常压入载荷大于9.81N时测试的硬度叫宏观硬度，压力载荷小于9.81N时测试的硬度叫微观硬度。前者用于较大的尺寸试件，反应材料的宏观范围性能；后者用于小而薄的试件，反应微小区域的性能，如显微组织中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。

显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单位面积上锁承受的载荷来表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度测试用的压头有两种：一种和维氏硬度一样的两面之间夹角为1360的金刚石正四棱锥压头。

3.4.2 X射线法测试显微硬度

用X射线法测量表层硬度变化有较高的准确性。这种方法的基本原理是：X射线光束照在多晶体金属表面后，由于晶体的原子面反射在照相底片上就出现干涉环系。若已知X射线的波长，则根据干涉环的直径大小就可以求出原子面之间的距离。金属塑性变形时，变形的金属组织将反映在X光图上。若表面层没有产生塑性变形，则干涉线是点状弧线；若发生塑性变形，则晶粒破碎会使这些点增大而成为实线；当引起残余应力的金属晶格中晶格参数发生变化时，干涉线就会发生位移，而弧线的宽度是由晶粒的大小决定的。

3.5残余应力测量方法

残余应力的测定方法大致分为机械测量法和物理测量法两类。物理测量法包括X射线法、磁性法、超声波法等。他们分别利用晶体的X射线衍射现象，材料在应力作用下的磁力发生变化和超声效应来求的残余应力的量值。他们是无损的测量方法，其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量方法中较为精确的一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍认为是有发展前途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂、昂贵、精度不高。特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。

机械方法包括切割法、套环法、钻孔法等，他是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，具有简单、准确的特点。

从两类方法的测试功能来说，机械法一测试宏观残余应力为目的，而物理方法测量宏观与微观应力的综合值。因此两种方法测试结果一般來说有区别。

用X射线法测量残余应力是一种发展趋势。X射线应力测定方法的基本原理是利用X射线的穿透晶粒时产生的衍射现象，在应变作用下，引起晶格间距变化，使衍射条纹产生位移，根据位移的变化即可计算出应力来。

3.6疲劳强度试验方法

疲劳强度试验主要获得疲劳寿命、疲劳强度、S-N曲线。对于某种工艺的疲劳性能的考核，最直接的方法是疲劳强度试验方法。可以采用标准疲劳试件的制作方法进行疲劳试验，亦可以针对具体情况采用非标准试件进行相应的疲劳试验。

3.7应力腐蚀试验方法

应力腐蚀裂纹是直接影响零件使用性能的最主要因素之一。但应力腐蚀试验比较复杂，至今尚无简单的评价方法得出可以比较的数据。材料的材质与性能、加工过程、金相状态、能量等级、有效应力以及周围的液体和气体等众多因素的可能组合的数量无法计算。因此，应该针对每一种应用的具体情况作出分析，并经过周密组织的试验加以评价。

4总结与展望

表面完整性作为零件抗疲劳设计、制造的基础，其表征数据的评价方式和测量方法至关重要，是表面完整性控制手段研究的技术基础。目前，国内外对于表面完整性检测方法的研究尚处于分散状态，应尽早启动该项工作，形成自身技术体系，规划发展。

参考文献：

【1】高玉魁.表面完整性理论与应用.学术著作.

【2】张华.机械加工表面完整性研究.学术期刊.工业技术.2015年第30期.

【3】张定华、姚倡峰.机械加工零件的表面完整性.学术著作.