细钢丝螺旋弹簧的X射线应力测定
x射线应力检测原理
x射线应力检测原理一、引言x射线应力检测是一种非破坏性的材料力学性能测试方法，广泛应用于工程和科学领域。
它通过测量材料中的应力分布来评估材料的力学性能，具有高精度、高灵敏度和广泛适用性的特点。
本文将介绍x射线应力检测的原理和应用。
二、x射线应力检测的原理x射线应力检测的原理基于材料中晶格的应力引起的晶格畸变。
当材料受到外力作用时，材料的晶格结构会发生畸变，这种畸变会引起入射x射线的散射。
根据散射角度和散射强度的变化，可以推断出材料中的应力分布情况。
具体来说，x射线应力检测利用布拉格定律和散射理论。
布拉格定律是指入射x射线与晶格平面之间的衍射条件，即2d sinθ = nλ，其中d为晶格的间距，θ为散射角度，n为衍射级数，λ为x射线的波长。
当晶格受到应力引起畸变时，晶格间距d也会发生变化，从而改变衍射角度θ。
通过测量衍射角度的变化，可以计算出晶格的应力。
散射理论则是通过研究入射x射线与晶体中原子的相互作用来解释散射现象。
入射x射线与晶体中的原子发生相互作用后，会散射出去，形成衍射图样。
根据散射图样的形状和强度，可以推断出晶体中的应力分布情况。
三、x射线应力检测的应用x射线应力检测在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 金属材料的应力检测：x射线应力检测可以用于评估金属材料的强度和耐久性。
通过测量金属材料中的应力分布，可以预测金属材料在实际使用中的性能和寿命。
这对于制造业和航空航天领域具有重要意义。
2. 混凝土结构的应力检测：x射线应力检测可以用于评估混凝土结构的强度和稳定性。
通过测量混凝土中的应力分布，可以检测混凝土结构中的裂缝和应力集中区域，从而指导结构的维护和修复工作。
3. 陶瓷材料的应力检测：陶瓷材料常常用于高温和高压环境下。
x 射线应力检测可以用于评估陶瓷材料在极端条件下的力学性能。
通过测量陶瓷材料中的应力分布，可以提前预警陶瓷材料的破损和失效，从而避免事故和损失。
第8章 X射线的应力测定
X射线应力测定方法
§1-6宏观残余应力的测定残余应力的概念：残余应力是指当产生应力的各种因素不复存在时，由于形变，相变，温度或体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。
按照应力平衡的范围分为三类：第一类内应力，在物体宏观体积范围内存在并平衡的应力，此类应力的释放将使物体的宏观尺寸发生变化。
这种应力又称为宏观应力。
材料加工变形（拔丝，轧制），热加工（铸造，焊接，热处理）等均会产生宏观内应力。
第二类内应力，在一些晶粒的范围内存在并平衡的应力。
第三类内应力，在若干原子范围内存在并平衡的应力。
通常把第二和第三两类内应力合称为“微观应力”。
下图是三类内应力的示意图，分别用sl,sll,slll表示。
构件中的宏观残余应力与其疲劳强度，抗应力腐蚀能力以及尺寸稳定性等有关，并直接影响其使用寿命。
如焊接构件中的残余应力会使其变形，因而应当予以消除。
而承受往复载荷的曲轴等零件在表面存在适当压应力又会提高其疲劳强度。
因此测定残余内应力对控制加工工艺，检查表面强化或消除应力工序的工艺效果有重要的实际意义。
测定宏观应力的方法很多，有电阻应变片法，小孔松弛法，超声波法，和X射线衍射法等等。
除了超声波法以外，其它方法的共同特点都是测定应力作用下产生的应变，再按弹性定律计算应力。
X射线衍射法具有无损，快速，可以测量小区域应力等特点，不足之处在于仅能测量二维应力，测量精度不十分高，在测定构件动态过程中的应力有一些困难。
1-4-1 X射线宏观应力测定的基本原理测量思路：金属材料一般都是多晶体，在单位体积中含有数量极大的，取向任意的晶粒，因此，从空间任意方向都能观察到任一选定的{hkl}晶面。
在无应力存在时，各晶（如下图所示）。
粒的同一{hkl}晶面族的面间距都为d当存在有平行于表面的张引力（如σφ）作用于该多晶体时，各个晶粒的晶面间距将发生程度不同的变化，与表面平行的{hkl)（ψ=0o）晶面间距会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{hkl)（ψ=90o）晶面间距将被拉长。
X射线衍射法残余应力测试
目录1.概述 (2)1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展 (2)a.测试技术的进展 (3)b.测量装置的进展 (4)1.2测试标准 (5)2、测定原理及方法： (6)2.1二维残余应力 (6)2.1.1原理 (6)2.1.2方法 (9)2.2三维残余应力 (15)2.2.1沿深度分布的应力测定一剥层法 (16)2.2.2 X射线积分法(RIM) (17)2.2.3 多波长法 (20)3、X射线残余应力测定法的优、缺点 (21)4、一些应用 (22)参考文献： (23)X射线衍射法残余应力测试原理、计算公式、测试方法的优缺点、目前主要应用领域。
1.概述X射线法是利用X射线入射到物质时的衍射现象测定残余应力的方法。
包括X射线照相法、X射线衍射仪法和X射线应力仪法。
1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展早在1936年，Glocker等就建立了关于x射线应力测定的理论。
但是当时由于使用照相法，需要用标准物质粉末涂敷在被测试样表面以标定试样至底片的距离，当试样经热处理或加工硬化谱线比较漫散时，标准谱线与待测谱线可能重叠，测量精度很低，因此，这种方法未受到重视，直到二十世纪四十年代末还有人认为淬火钢的应力测定是不可能的。
只有在使用衍射仪后，X射线应力测定才重新引起人们的重视，并在生产中日渐获得广泛应用。
美国SAE在巡回试样测定的基础上，于1960年对X射线应力测定技术进行了全面的讨论。
日本于1961年在材料学会下成立了X射线应力测定分会，并在1973年颁布了X射线应力测定标准方法。
a.测试技术的进展在二十世纪五十年代，X射线应力测定多采用0°~ 45°法(又称两次曝光法)，这种方法在dψϕ与sin2ψ有较好的线性关系时误差不大，但当试件由于各种原因，dψϕ与sin2ψ偏离离直线关系时，0°~ 45°法就会产生很大误差。
为了解决这个问题，德国E.Macherauch在1961年提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使x射线应力测定的实际应用向前迈进了一大步。
X射线应力测定技术预备知识
X 射线应力测定技术预备知识一、X 射线的本质与产生1、X 射线的本质1895年德国物理学家伦琴发现了X 射线。
1912年德国物理学家劳埃等人成功地观察到X 射线在晶体中的衍射现象，从而证实了X 射线在本质上是一种电磁波。
依据电磁波的波长，从3×10－4m 以上到10－13m 以下，可以把它们分别称为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线和宇宙射线等（如图1所示）。
X 射线的波长范围在10－12m ～ 10－8m 之间。
用于衍射分析的X 射线波长通常在0.05nm ～0.25nm 范围，用于金属材料透视的X 射线波长为0.1nm ～0.005 nm ，甚至更短。
实验证明，波长越长的电磁波，其波动性越明显，波长越短的电磁波，其粒子性越明显。
X 射线和可见光、紫外线同其它基本粒子一样都同时具有波动性和粒子性二重特性。
正因为它们的具有波动性，光的干涉衍射现象才得以圆满解释；也正因为它们的粒子性，探测器才可以接收到一个个不连续的光量子。
反映波动性的波长λ、频率υ与反映粒子性的光子能量ε之间存在以下关系：ε＝h υ＝hc/λ式中 h 为普朗克常数，h ＝6.626×10－34J ·s ；c 为光速，也是X 射线的传播速度，c ＝2.2998×108m/s 。
2、X 射线的产生研究证明，当高速运动的电子束（即阴极射线）与物体碰撞时，他们的运动便急遽的被阻止，从而失去所具有的动能，其中一小部分能量变成X 射线的能量，发生X 射线，而大部分能量转变成热能，使物体温度升高。
从原则上讲，所有基本粒子（电子、中子、质子等）其能量状态发生变化时，均伴随有X 射线辐射。
通常使用的X 射线都是从特制的X 射线管中产生的。
图2是X 射线管的结构和产生X 射线示意图。
灯丝上的热电子在高电压的作用下以高速度撞击阳极靶面，就从靶面上产生X 射线，并通过管壁上的铍窗放射出来。
图2、X 射线管的一般结构示意图图1、电磁波谱 各个区域的上下限难以明确指定，本图中各种电磁波的边界是臆定的3、连续X 射线谱和标识X 射线谱从X 射线管发出的X 射线分为两种：一种是波长连续变化的X 射线，构成连续X 射线谱，和白色可见光相类比。
X射线应力测定分析
X射线应力测定
金属材料及其制品在冷、热加工（如切削、装配、 冷拉、冷轧、喷丸、铸造、锻造、热处理、电镀 等）过程中，常常产生残余应力。残余应力对制 品的疲劳强度、抗应力腐蚀疲劳、尺寸稳定性和 使用寿命有着直接的影响。
研究和测定材料中的宏观残余应力有巨大的实际 意义，例如可以通过应力测定检查消除应力的各 种工艺的效果；可以通过应力测定间接检查一些 表面处理的效果；可以预测零件疲劳强度的贮备 等等。因此研究和测定材料中的宏观残余应力在 评价材料强度、控制加工工艺、检验产品质量、 分析破坏事故等方面是有力的手段
测定残余应力的方法有电阻应变片法、机械引伸仪法、小孔 松弛法、超声波、光弹性复膜法和X射线法等。但是用X射线 测定残余应力有以下优点：
1.X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法。 2.塑性变形时晶面间距并不变化，也就不会使衍射线位移，
因此，X射线法测定的是纯弹性应变。用其他方法测得的应变， 实际上是弹性应变和塑性应变之和，两者无法分辨。 3.X射线法可以测定1~2mm以内的很小范围内的应变，而其他 方法测定的应变，通常为20~30mm范围内的平均。 4.X射线法测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。 采用剥层的办法，可以测定应力沿层深的分布。 5.可以测量材料中的三类应力。
X射线残余应力测定原理
在诸多测定残余应力的方法中，除超声波法外， 其他方法的共同点都是测定应力作用下产生的 应变，再按虎克定律计算应力。X射线残余应 力测定方法也是一种间接方法，它是根据衍射 线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来 测定材料表层微小区域的应力。
单轴应力测定原理
在理想的多晶体材料中，晶粒 大小适中均匀，取向任意。当 无应力作用时各个晶粒同一 （HKL）晶面的间距不变，为d0。 当受到应力作用时，各个晶面 间距因其与应力轴的夹角和应 力大小而变化。上述分析可见， 在应力σy作用下与试样表面垂 直的晶面间距do扩张为dn。若 能测得该晶面间距的扩张量 Δd=dn-do，则应变εy=Δd/do， 根据弹性力学原理，应力为：
钢丝绳残余应力检测及分析
摘要：通过使用微区 Ｘ射线残余应力仪 Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ对钢丝绳中直径 ０．５ｍｍ的外层钢丝表面和不同深度的轴向 残余应力检测，分析不同等温介质和常温时效时间对钢丝残余应力的影响及钢丝绳内残余应力的分布情况，阐述 钢丝绳拉拔和捻制过程中影响残余应力的因素以及残余应力对钢丝绳性能的影响。 关键词：钢丝绳；残余应力；Ｘ射线；等温介质。 中图分类号：ＴＧ３５６．４＋５ 文献标识码：Ａ
表 １ 钢丝绳பைடு நூலகம்同生产工艺及常温时效时间 Ｔａｂｌｅ１ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅａｎｄ
ｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｒｅａｔｕｒｅａｇｉｎｇｔｉｍｅ
编号 １＃
制绳钢丝拉拔前淬火介质 常温时效 ／月
铅浴
１
２＃
水浴
１
３＃
铅浴
１５
在钢丝绳表面轴向残余应力的检测过程中，为 了减少检测点位置对检测结果的影响，分别在 ３个 样品的轴向选取 ３个截面，每个截面取周向均匀分 布 ６个点的轴向残余应力，检测点的周向分布示意 图如图 ２所示。
图 １ 钢丝拉拔受力示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｒａｗｉｎｇｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍ ｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅ
制绳钢丝通常要经过多个道次的拉拔，钢丝沿 径向不同区域的轴向残余应力的差异随着道次的增
资助：江苏省创新能力建设计划（科技设施类）———企业重点实验（ＢＭ２０１６０２３）
·６０·
金 属 制 品
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅ
ＳｕｎＷｅｎ１，ＳｕｎＪｉｅ１，ＺｈｕＷｅｉｊｕｎ２，ＬｉｕＬｉｈｕａ２
（１．ＪｉａｎｇｓｕＦａｓｔｅｎＭａｔｅｒｉａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｙｉｎ２１４４４６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＦａｓｔｅｎＨｏｐｅｓｕｎＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｙｉｎ２１４４３１，Ｃｈｉｎａ）
X射线残余应力测定方法的原理与应用
残余应力是第一类内应力的工程名称。
残余应力在工件中的分布一般是不均匀的，而且会对工件的静强度、疲劳强度、形状尺寸稳定性和耐蚀性等产生显著的影响。
因此，残余应力的测定非常重要。
残余应力测定方法可分为有损检测法和无损检测法。
有损检测法是通过机械加工的方式将被测工件的一部分去除，局部残余应力得到释放从而产生相应的应变和位移，根据相关力学原理推算工件的残余应力。
常用的有损检测方法有钻孔法与环芯法。
无损检测法是利用残余应力会引起材料中某一物理量（如晶面间距、超声波在材料中的传播速率或磁导率等）的变化，通过建立此物理量与残余应力之间的关系，测定相关物理量从而计算出残余应力。
常用的无损检测方法有X射线衍射法、中子衍射法、磁性法与超声法，其中，X射线衍射法因其原理较为成熟、方法较为完善，是目前在国内外应用最为广泛的方法，其测试设备也越来越完善，既有功能齐全的实验室仪器，也有适用于现场测量的便携式仪器，还有适于特殊场合的专用检测装置。
采用X射线衍射法测定残余应力，最早是由俄国学者在1929年提出，把材料的宏观应变等同于晶格应变。
1961年德国学者基于这个思路研究出sin2ψ法，使得X射线衍射测定残余应力逐渐成为成熟的、具有可操作性的测试技术。
X射线衍射测定残余应力技术经过60余年的发展，已开发出多种不同的测量方法，目前最主要的有sin2ψ法与cosα法两种。
1X射线衍射残余应力测定方法分类为了掌握X射线衍射残余应力测定技术，有必要对其方法进行归纳，具体如下：(1) X射线衍射残余应力测定方法可分为sin2ψ法、cosα法。
(2) sin2ψ法按照残余应力计算方法分类，可分为2θ法、d值法、应变法。
(3) sin2ψ法按ψ与2θ的几何关系分类，可分为同倾法、侧倾法。
(4) 按X射线管、计数管扫描方式可分为固定ψ0法，固定ψ法。
(5) 侧倾法又可分为标准的侧倾法、修改的侧倾法、侧倾固定ψ法。
(6) 测定剪切应力τφ采用的正负ψ测定法。
钢丝的残余应力测定
·3l O·全国金属制品信息网第22届年会论文集2010年钢丝的残余应力测定Residual stress determination of steel wire姜岩编译(中钢集团郑州金属制品研究院有限公司，河南郑州450001)摘要介绍测定钢丝残余应力的方法，比较X射线衍射法、中子衍射法、同步加速器辐射法测量残余应力的范围和精度。
测量拉拔一道后的铁素体(单相)钢丝中纵向(轴向)残余应力。
对中子和x射线衍射测量的残余应力与数值模拟的残余应力进行对比。
在拉拔一道后的珠光体(共析)钢丝中采用同步加速器辐射测量铁素体和渗碳体相中沿纵向(轴向)的残余应力。
测量拉拔一道后的珠光体(双相)钢丝中纵向(轴向)的残余应力。
对有限元模拟计算和同步加速器测量结果计算的残余宏观应力进行比较。
关键词共析钢丝；残余应力；x射线衍射；同步加速器辐射；中子衍射l钢丝的残余应力2残余应力的测试方法冷拉共析钢丝可以称之为纳米复合材料——由可利用的残余应力测试技术很多，一些试验具铁素体和渗碳体薄片交替构成的纳米复合层压材有破坏性，一些技术则不会明显改变构件。
不过，一料，它具有突出的强韧性特点。
它们在预应力混凝些具有极好的空间分辨率和精度的技术仅限于测试土结构中作为骨架，在悬索桥和斜拉桥上承受张应近表面应力。
力，制成缆绳用在矿山竖井和近海石油生产中，并且2．1机械法在汽车上充当增强轮胎的材料。
机械法通过小心地去除一些材料使得应力松借助于现代计算技术，估计某根钢丝在服役中弛，然后监测其变化。
对于钢丝行业，最重要的方法所承受的应力是完全可能的。
然而，据此预测钢丝是逐层去除材料并进行曲率测量。
其精度受限于最的表现是不够的，因为存在残余应力，它叠加在服小可测定曲率。
实际上，被测定的仅仅是靠近表面役应力上会严重影响构件的寿命。
现已查明钢丝的应力。
近表面应力以外的应力值通常是借助假定表面的残余拉应力会造成应力腐蚀裂纹或疲劳的的应力分布来确定，这就带来了不确定性。
弹簧的应力分析.
CosmosWorks Designer 2005 Training Manual第七章：吸振器的应力分析目的顺利修完本章以后，你将学会:利用连接器加载约束并简化模型控制网格密度以获得精确的应力解COSMOSWorks 2005 Designer Training Manual 第七章：吸振器的应力分析工程描述某一微型吸振器的组成包括一根管子、活塞、夹钳以及一螺旋状的弹簧。
在本章中，我们研究当该装置承受10N压力时，由压环所产生的应力分布情况。
由于螺旋弹簧中的应力情况并不是我们所关心的，因此，我们把弹簧从模型中去掉，取而代之的是一等效的弹簧连接器。
计算受压弹簧的刚度首先，螺旋弹簧的刚度是我们必须考虑的。
为此，我们单独分析该弹簧。
下面计算受压弹簧的刚度:1打开零件.打开SolidWorks 零件：弹簧副本。
弹簧的有效长度为方便加载约束与载荷，我们在弹簧的两端分别加上一个圆盘。
相应地，两圆盘间的距离为弹簧未受压时它的有效长度。
2创建研究名称.进入COSMOSWorks, 然后创建一研究名称，取名为springstiffness。
(静态分析，实体网格)3回顾材料属性.材料的属性(合金钢)可由SolidWorks中转移过来。
4加载固定约束.在1号圆盘的底面施加一固定约束。
5施加径向约束.在2号圆盘的柱面上沿径向施加一径向约束。
该约束使得弹簧仅能沿轴向压缩（或伸长）。
COSMOSWorks 2005 Designer Training Manual第七章：吸振器的应力分析6加载压力.现在，在承受柱面径向约束的圆盘（2号）的底面施加1N的压力。
7网格划分与分析运行.8得出z向位移.得到的位移结果显示：轴向位移为3.8 mm，且沿着z轴方向。
受压刚度因此，该弹簧的受压刚度为 260 N/m。
(k = f/x)在下一个模型中，我们用上述结果来定义弹簧连接器，即f = kx，其中，k=260 N/m。
分析吸振器装置为了分析此吸振器装置:9打开组件.打开文件名为shock的组件, 并去掉螺旋状弹簧 (零件文件为Front Spring)。
残余应力测定的基本知识_第四讲X射线应力测定方法_三_
θ — — 无应力状态的布拉格角 。 0 — 式 ( 16) 表明θ 0 越大则应力常数 K 越小 。所以 θ比较高的衍射晶面 。因为应 要尽量选用衍射角 2 θ测量误差引起的 力常数 K 越小 , 同样的衍射角 2 应力值误差也越小 。
5. 3 应力常数问题
式中 d — — — 晶面间距 ; θ 2 — — — 衍射角 ;
式中 c 为光速 。同一系 ( 例如 K 系) 标识谱线 , 其波 长λ取决于靶材原子序数 Z , 它们之间的关系符合 莫塞莱定律 :
1 ) = K( Z - σ λ
( 15)
式中 K 和σ均为常数 。所谓标识谱线 ,其含义就在 于它的波长与靶材原子序数的一一对应的关系 。因
收稿日期 :2007208211 作者简介 : 吕克茂 (1941 - ) ,男 ,高级工程师 。
式中 G 称作等强度梁系数 ( 这里提供一个参考尺 寸 :L = 300 mm , B 0 = 50 mm , H = 6 mm , 计算得 G = 1) 。
( a) 等强度梁主 、 俯视图
装都必须保证足够的精度 ; 梁体材料不但要和待测 材料的材质状态完全一致 , 还要注意避免晶粒粗大 和织构 ,并且注意去除机械加工带来的附加应力 ; ② Ψ= 作 X 射线衍射分析时应当严格把握应力方向 、
β 辐射 。事实正是如此 , 只要滤波片材料的原 除 K 子序数比 X 射线管靶材小 1 或 2 就可以实现 ,如图 20 所示 。 X 射线应力测定常用辐射及滤波片的有关数据 见表 1 。
( a) 铜靶的辐射在滤波之前 ( b) 通过镍滤波片之后
图 20 滤波片的作用示意图 ( 虚线表示镍的质量吸收系数)
BA SIC KNO WL ED GE O F R ESIDU AL S TR ESS D E T ERM INA TION ) — — — L EC TU R E No . 4 S TR ESS D E T ERM INA TION M E T HOD B Y X2RA Y ( Ⅲ
X射线残余应力测定
X 射线残余应力测定一、材料中内应力的分类1、引言当产生应力的因素不存在时（如外力去除、温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑性变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化），致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称为残余应力，或内应力。
一方面，残余应力可能对材料疲劳强度及尺寸稳定性等均成不利的影响。
另一方面，为了改善材料的表层性能（如提高疲劳强度），有时要在材料表面还要引入压应力（如表面喷丸）。
当多晶材料中存在内应力时，必然还存在内应变与之对应，导致其内部结构（原子间相对位置）发生变化。
从而在X 射线衍射谱线上有所反映，通过分析这些衍射信息，就可以实现内应力的测量。
2、内应力的分类材料中内应力可分为三大类。
第I 类应力，应力的平衡范围为宏观尺寸，一般是引起X 射线谱线位移。
第II 类内应力，应力的平衡范围为晶粒尺寸，一般是造成衍射谱线展宽。
第III 类应力，应力的平衡范围为单位晶胞，一般是导致衍射强度下降。
由于第I 类内应力的作用与平衡范围较大，属于远程内应力，应力释放后必然要造成材料宏观尺寸的改变。
第II 类及第III 类应力的作用与平衡范围较小，属于短程内应力，应力释放后不会造成材料宏观尺寸的改变。
在通常情况下，这三类应力共存与材料的内部。
因此其X 射线衍射谱线会同时发生位移、宽化及强度降低的效应。
A、第I类内应力材料中第I 类内应力属于宏观应力，其作用与平衡范围为宏观尺寸，此范围包含了无数个小晶粒。
在X 射线辐照区域内，各小晶粒所承受内应力差别不大，但不同取向晶粒中同族晶面间距则存在一定差异。
当材料中存在单向拉应力时，平行于应力方向的（hkl ）晶面间距收缩减小（衍射角增大），同时垂直于应力方向的同族晶面间距拉伸增大（衍射角减小），其它方向的同族晶面间距及衍射角则处于中间。
当材料中存在压应力时，其晶面间距及衍射角的变化与拉应力相反。
材料中宏观应力越大，不同方位同族晶面间距或衍射角之差异就越明显，这是测量宏观应力的理论基础。
x射线衍射测量残余应力实验指导书
X射线衍射方法测量材料的残余应力一、实验目的与要求1.了解材料的制备过程及残余应力特点。
2.掌握X射线衍射（XRD）方法测量材料残余应力的实验原理和方法。
3.了解表面残余应力的概念、分类及测试方法种类，掌握XRD仪器设备的操作过程。
二、实验基本原理和装置1. X射线衍射测量残余应力原理当多晶材料中存在内应力时，必然还存在内应变与之对应，导致其内部结构(原子间相对位置)发生变化。
从而在X射线衍射谱线上有所反映，通过分析这些衍射信息，就可以实现内应力的测量。
材料中内应力分为三大类。
第I类应力，应力的平衡范围为宏观尺寸，一般是引起X射线谱线位移。
由于第I类内应力的作用与平衡范围较大，属于远程内应力，应力释放后必然要造成材料宏观尺寸的改变。
第II类内应力，应力的平衡范围为晶粒尺寸，一般是造成衍射谱线展宽。
第III类应力，应力的平衡范围为单位晶胞，一般导致衍射强度下降。
第II类及第III类内应力的作用与平衡范围较小，属于短程内应力，应力释放后不会造成材料宏观尺寸的改变。
在通常情况下，我们测得是残余应力是指第一类残余应力。
当材料中存在单向拉应力时，平行于应力方向的(hkl)晶面间距收缩减小(衍射角增大)，同时垂直于应力方向的同族晶面间距拉伸增大(衍射角减小)，其它方向的同族晶面间距及衍射角则处于中间。
当材料中存在压应力时，其晶面间距及衍射角的变化与拉应力相反。
材料中宏观应力越大，不同方位同族晶面间距或衍射角之差异就越明显，这是测量宏观应力的理论基础。
原理见图1。
由于X射线穿透深度很浅，对于传统材料一般为几十微米，因此可以认为材料表面薄层处于平面应力状态，法线方向的应力(σz )为零。
当然更适用于薄膜材料的残余应力测量。
图1 x 射线衍射原理图图2中φ及ψ为空间任意方向OP 的两个方位角，εφψ 为材料沿OP 方向的弹性应变，σx 及σy 分别为x 及y 方向正应力。
此外，还存在切应力τxy 根据弹性力学的理论，应变εφψ 可表示为：式中E 及ν分别是材料的弹性模量及泊松比。
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细线经圆柱螺旋弹簧的X射线应力测定
詹科1 姜传海1王仁智2
1-上海交通大学材料学院，2-北京航空材料研究院
摘要：采用X射线衍射法测定细线经螺旋弹簧表面残余应力，通过限制射线照射宽度克服曲面衍射效应。
结果表明，当照射宽度小于弹簧钢丝直径1/6时，可忽略曲面衍射效应的不利影响，确保X射线应力测定结果的可靠性。
关键词：圆柱螺旋弹簧，应力测定，入射宽度
1、前言
圆柱螺旋弹簧的加工制造过程非常复杂，包括卷簧、热处理、喷丸以及立定等，最终目的是在满足弹簧几何形状和尺寸以及弹力的要求之外，还需向其表层引入残余压应力场，以提高弹簧的疲劳寿命。
为了确保弹簧的质量，需要检测和控制其生产过程中各工序间的残余应力。
在对弹簧作失效分析时，也需准确测定失效弹簧的残余应力。
X射线衍射技术是目前测定喷丸残余应力及其分布的唯一方法，而且还能够测定表征材料表层组织的喷丸循环应变特征。
然而，该方法在测定圆柱螺旋弹簧残余应力时尚存在许多技术困难。
例如于X射线照射区域的曲面衍射效应以及照射点的位置偏移等，上述因素有时会导致错误的测定结果。
本文通过测定圆柱螺旋弹簧X射线应力测定中的曲面衍射效应，拟采用限制射线照射宽度方法克服该效应的不利影响，其目的是能够正确评价弹簧钢丝45度方向上的残余应力，确保测量精度。
2、材料及试验方法
弹簧材料牌号OTEVA70SC及钢丝直径3.2mm，利用气动喷丸机(上海开信机械制造有限公司)及φ0.6mm钢丝切丸(江苏大奇金属磨料有限公司)，对弹簧表面进行喷丸处理，0.45Amm喷丸强度。
借助LXRD型X射线应力仪(加拿大PROTO公司)和X350A型X射线应力仪(邯郸
爱司特公司)，测定弹簧钢丝内侧45度方向表面残余应力。
测量参数包括Fe(211)衍射面，X射线弹性常数S2/2=5.92×10-6MPa-1及S1=-1.28×10-6MPa-1，应力常数-318MPa/(o)，2θ范围确保衍射峰完整。
利用X射线衍射峰半高宽，间接表征弹簧钢丝内侧表面的形变细化组织。
为了研究X射线照射宽度对应力测量结果的影响，制作图1所示的挡板，将该挡板放置弹簧钢丝内侧，挡板矩形孔长度方向沿钢丝纵向摆放，应力测量则沿着45度方向，矩形孔部分即X射线照射弹簧样品面积，矩形孔以外的射线被遮挡。
矩形孔长度5mm，宽度分别1.6mm、1.2mm、0.8mm、0.5mm和0.2mm，即使采用最细0.2mm矩形孔(照射面积1mm2)，仍可确保足够的衍射强度。
3、结果及讨论
钢丝内表面与轴向成45度方向残余应力及衍射峰半高宽与照射宽度的关系，分别如图2和图3所示，其中挡板矩形孔长度方向沿钢丝纵向摆放，矩形孔宽度即射线照射宽度。
可见随着矩形孔宽度即照射宽度的减小，起初残余应力测量值逐渐增大及衍射峰半高宽测量结果逐渐降低，当矩形孔挡板宽度小于0.5mm即1/6钢丝直径时测量结果趋于稳定，说明此时即为真实残余应力及衍射半高宽。
图4给出照射到曲面样品的X射线衍射几何示意图，其中钢丝方向即垂直纸面方向，A-O-B为照射宽度，照射宽度内实际是曲面，该曲面上不同位置的应力测定Ψ角不同，其中O-B 部分衍射贡献即对应力测量结果影响要比A-O部分的大。
图中只有O点的Ψ角正确，O-B 部分其它位置Ψ角要比其真实值小，导致应力测量值低于真实残余应力，X射线照射样品宽度越大这种效应就越明显，只有当射线照射宽度足够小时，这种曲面衍射效应才可以忽略不计，应力测量值接近于真实残余应力。
此外，图4中除O点严格位于衍射聚焦中心以外，其它位置均不同程度偏离衍射聚焦中心，其效果必然导致衍射峰半高宽测量值的增加，这就是所谓的曲面样品衍射峰宽化效应，X射线照射宽度A-O-B越大则这种效应越明显，只有当照射宽度足够小时，衍射峰宽化效应可以忽略不计，衍射峰半高宽测量值真正表征材料表面的循环塑性形变组织。
4、结论
X 射线衍射技术是目前测定弹簧表面残余应力的唯一方法，由于曲面衍射效应及照射点的位置偏移等，测定细线径螺旋弹簧残余应力尚存在技术困难。
本文研究结果表明，当照射宽度小于弹簧钢丝直径的1/6时，可以忽略曲面衍射效应的不利影响，能确保X 射线应力测定结果的可靠性。
矩形孔
图1 弹簧钢丝X 射线应力测定中挡板示意图 (挡板矩形孔长度
方向沿钢丝纵向摆放，矩形孔宽度即射线照射宽度)
0.00.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
-450
-500
-550
-600
-650
照射宽度 / m m 残余应力 / M P a
图2 弹簧钢丝内表面45度方向残余应力与照射宽度的关系
0.00.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
4.40
4.45
4.50
4.55
4.604.65
4.70
照射宽度 / m m 半高宽 / d e g .
图3 弹簧钢丝内表面衍射峰半高宽与照射宽度的关系
A O
B
入射线
衍射线
图4 弹簧钢丝X 射线应力测定光路示意图。