第8章 X射线的应力测定
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。
8,二X射线应力测定详解
0=0
0=45
N
N*
衍射线
N
入射线
N*
0=45
衍射线
x
HKL
x
HKL
无论是固定法还是固定0法，选取晶面方位角的方式均可采用：
（1）0-45法
（2）sin2法 注意一下几点： （1）两种方法方位角的差异。 （2）过去一般选0、15、30、45 2
3 3
,
第七章 应力的测定
第一节 内应力的定义：
材料的内应力系指当产生应力的因素消失时（如外力 已去除、温度已达均匀、相变已停止），由于不均匀 的塑性变形或相变使得材料内部依然存在并自身保持 平衡的应力。
残余应力的分类
宏观应力（第一类应力） 在物体较大范围内存在并保持平衡的应力。衍射线产生位移
微观应力（第二类应力）
（2）固定0法 — X-射线应力仪法
对于大型工件，难以在衍射仪上测定。该方法就是适应大型工件而 建立的，专门用于大型工件残余应力的测定—X射线应力仪。
特点：测试时入射光源和工件均固定不动，计数管单独扫描。 0是入射线与样品法线的夹角，由于测定时固定0不动，故称固定 0法 。 N
0
N*
90
令
K E ctg 0 2(1 ) 180
2 M sin 2
K M
K — 应力常数， M —（2-sin2）直线
的斜率
如何获得 M （即 2 — sin2直线的斜率）？
sin2法
测定0º — 45º 内几个方向上的 某（HKL）晶面的衍射角2 2 0
在晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。衍射峰宽化 超微观应力（第三类应力）
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射线应力测定方法.pdfDOC
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 图1、电磁波谱光量子。
反映波动性的波长λ、频率υ与反映粒子性 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。
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射线应力测定实验原理及方法上海交通大学材料科学与工程学院
作用与平衡范围较大，
多晶体
入射线多晶体
衍射峰
入射线
衍射线
多晶体
多晶体
2θ
入射线
衍射线
衍射峰
衍射角
2θ
2d Sin θ= n λ布拉格定律d λ
X射线波长
晶面间距
θ布拉格角衍射角衍射角的1/2
衍射晶面法线2θ
试样表面法线
衍射晶面法线
2θ
衍射晶面法线
试样表面法线ΨΨ衍射晶面方位角
2θ
在无应力状态下
在各个晶粒当中
所选 ( h k l ) 晶面间距 d 均相等多晶体无应力状态
2θ衍射峰衍射角
在无应力状态下
不论X射线从哪个方向入射
即不论Ψ角为何值
同一 ( h k l ) 晶面产生的衍射峰，根据布拉格定律
其衍射角2θ应该相等。
多晶体
多晶体拉应力状态
晶面间距d变小
多晶体拉应力状态
晶面间距d变大多晶体拉应力状态
即Ψ=0°确定衍射晶面法线使之与试样表面法线重合
确
定
衍
射
晶
面
法
线
多晶体拉应力状态
计数管扫描
入射线衍射线
多晶体拉应力状态
衍射峰多晶体拉应力状态
多晶体拉应力状态
2θ
衍射角根据 2d Sin θ= n λ
晶面间距d变小
变大
Ψ
试
样
表
面
法
线
多晶体拉应力状态
Ψ
在拉应力状态
参与衍射的晶面间距 d 变大
根据布拉格定律
2d Sinθ= nλ
2θ
衍射角2θ变小。
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：
08-X射线内应力测定
同族 晶面
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。
ψ =0o
入 射
180 -2θ
ψ =45o 180 -2θ
o
ψ
衍 射
拉 应 力
同族 晶面 晶面间距 d 小 衍射角 2θ 大 晶面间距 d 小 衍射角 2θ 大
令方位角υ 分别为0o、90o及45o时，对上式 简化，并对sin2ψ 求偏导
Z( z ) σ
ψ
O X( x) σ υ
P ( υψ ) ε Y( y) σ
整理后得到
sin sin 2 2 45 K 2 0 2 90 xy K 2 sin 2 sin 2 sin 2 E K cot 0 o 2(1 ) 1由于X射线穿透深度较浅(约10μm)，材料表 面应力通常表现为二维应力状态，法线方向的 应力(σ z )为零。
Z( z ) σ Y( y) σ
O X( x) σ
图中υ 及ψ 为空间任意方向OP的两个方位 角，ε υ ψ 为材料沿OP方向的弹性应变，σ x 及σ y 分别为x及y方向正应力。
2
x K
2 0
， y K
2 90
Z( z ) σ
式中K称为Ｘ射线 弹性常数或Ｘ射线 应力常数，简称应 力常数。
ψ
O X( x) σ υ
P ( υψ ) ε Y( y) σ
x K
2 0
2
xy
sin sin 2 2 45 K 2 0 2 90 K 2 sin 2 sin 2 sin 2
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