三维残余应力对材料的疲劳性能的影响不容忽视。本课题在大功率35CrMo钢电机轴的失效分析中,围绕热处理工艺效果方面,用X射线法对大型轴对称构件沿深度方向三维残余应力测量的剥层法理论及实验进行了研究,为日后改善热处理制度,减小热处理淬火变形和防止钢轴早期断裂提供了实验依据。本课题对于特殊材料的X射线衍射特性进行多方面的系统标定,在X射线测量关键技术上有所突破,其研究成果对奥氏体不锈钢等材料在残余应力检测技术的工程应用方面具有一定的指导意义。本课题涉及X射线残余应力测量技术的两个关键问题:一是用X射线进行三维残余应力测试的剥层法理论中,在对环向与径向应力修正的基础上,考虑了轴向应力的修正问题,推导出修正公式的积分形式及方便实际工程应用的离散型公式。二是系统评价了几种特殊材料的X射线的衍射特性,针对实际工程中发现的某些材料具有多个衍射峰、根据不同衍射峰得到的应力结果不同的问题,采用等强梁标定的方法对特殊材料的衍射特性进行了系统探讨。在应用X射线剥层法进行三维残余应力的测量方法探索中,假设圆柱无限长且轴对称整圈剥除。依据圣维南原理,推导出了轴向应力的修正公式,并按照薄壁圆筒受内压的理论推导出了径向和环向应力的修正公式。用此理论对直径280mm大功率电机轴剥层后表面残余应力进行测试并修正,得到了残余应力沿层深的分布规律。结果表明:各方向实际应力为测量值与修正值之和,环向应力修正量与径向应力修正量相等。该轴淬火工艺的影响层深度为47mm,其最大环向压应力为-737.47MPa,最大轴向压应力为-569.90MPa,均出现在径向深度7mm处,二者相差29.4%。修正后环向与轴向应力曲线分布趋势基本未变,但应力值有所增大,最大轴向应力的修正值大于环向应力61.9%。,径向应力为拉应力,且随着剥层深度的增加而逐渐增大。在淬火层内的三维残余应力中,环向与轴向应力为主要应力,分别占总应力的55%-40%,径向应力为次要应力。为消除机加工的影响,电解抛光深度至少需要0.5mm。实验结果证明在应用剥层法时,修正是必须的。针对X射线在测试特殊材料时难以准确测定的问题,对碳钢(Q235)、奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)及马氏体不锈钢(A335P92)、铝合金(LY12)、钛合金(TA15)五种材料进行等强梁的标定并得到了X射线的衍射特性。结果表明:奥氏体不锈钢在X射线衍射时出现两个衍射峰,虽然在127°Kα衍射峰非常明显,但由此计算的应力并不能反映材料的真实应力;而149°的Kβ衍射峰虽然峰背比低,但可作为计算应力的依据,铝合金在X射线衍射时同样存在双衍射峰,但只有158°的衍射峰能够反映应力变化;钛合金的双峰均可作为应力测定的依据。对应力常数k值的标定结果表明:在综合考虑了材料牌号及热处理状态前提下,奥氏体不锈钢的实验标定k值与常规给出γ-Fe的k值相差22.5%;马氏体不锈钢则与常规α-Fe的常数具有7.8%的误差。钛合金两个衍射峰对应的k值具有10%-8%的误差。实验证明:某些角度的X射线衍射峰并不能反映应力的真实变化,在不锈钢与铝合金等材料中具有共性。