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。与此同时，经典的聚焦法也被准聚焦法和平行光束法所取代。其中，平行光束法允许试样位置在一定范围内变化，这就为在生产现场应用X射线应力测定技术创造了有利条件。该方法的缺点是衍射线的强度低、分辨率差，对低强度而又较漫散的谱线，测量精度不高。准聚焦法介于平行光束法和聚焦法之间，既有较高的强度和分辨率，又有一定的试样设置的宽容度，在衍射仪上用准聚焦法

测定应力时，试样设置不当引起的误差可以从a hkl与

2

cos

sin

θ

θ直线之斜

率求得，所利用的关系为:

2

cos

sin

hkl

a a

d

d a R

δθ

θ

-

∆

==⋅

，式中，δ为试样表

面对测角仪中心的偏离量，R为测角仪半径，a0为试样的精确点阵常数，a hkl为由各(hkl)面的测量值计算出的点阵常数。

上述0°~ 45°法和sin2ψ法就是通常所称的常规法(或称同倾法)，这些测试方法在测定工件特殊部位(如齿轮根部、角焊缝处)的残余应力时往往比较困难。近年来发展起来的侧倾法很好地解决了这一难题，受到普遍重视。这种方法既可以选用高2θ角、也可选用低2θ角范围内的衍射线进行测定，同时衍射强度的吸收因子与侧倾角ψ无关，并

且不随2θ角而变或随2θ角只作很小变化，故线形不会因吸收而产生畸变，能提高测量精度，因而获得了广泛应用。可以在附有侧倾法机构的应力仪上进行侧倾法测量，也可以利用侧倾附件在普通衍射仪或应力仪上进行这种测量。

自1976年以来，日本在应用连续X射线测量应力方面也做了不少尝试。不同能量的X射线穿透材料的能力也不同，利用连续X射线照射试样，借助X射线能谱仪测定衍射线中具有不同能量的各种成分的峰值位移，可以探知应力沿深度的分布。

此外，利用不同波长X射线在工件内部穿透深度不同的特点，从而获得应力沿深度分布的多波长法近年来也得到了一定的应用。b.测量装置的进展

理想的X射线应力测量装置应兼有照相机应力测量头的轻便、衍射仪应力测量的精确和位敏探测器的高速度等特点。早期的各种照相法测应力的相机，因其测试手续麻烦，费时费工，因此未能得到充分发展和广泛使用。二十世纪五十年代以后，X射线衍射仪迅速发展起来，应力测定工作就在衍射仪上进行。用X射线衍射仪测定残余应力时需要一定的特制附件，与相机比较，虽然手续有所简化，数据也相应准确了，但只能用于试样和小工件，对中等和大型工件则无能为力。而残余应力的研究完全用试样是无法解决许多生产实际问题，所以用衍射仪测定残余应力也有一定的局限性。为了解决这些问题，日本学者做了大量的工作，他们将衍射仪的索拉光栏改为平行光束光

栏，并对衍射仪的测角仪进行改进，从而使其成为能满足要求的专用X射线应力测定仪。

目前，X射线应力测量装置正向设备轻便紧凑、测量快速、精确度高及用途多样的方向发展。美国丹佛大学的D.Steffen和C.Rund研制的应力仪具有一定的代表性，整台仪器重仅135kg，而测角头只有4.5kg，采用这种应力仪在铝合金、不锈钢和马氏体钢上进行的实测证明，X射线数据累积所需的时间不超过一分钟，最短只需15秒。美国西北大学的James和Cohen研制的PARS应力仪的测角头(带位敏正比探测器)重约9kg。测角仪经改进后可用通电磁铁固定，为大型构件，如球罐、管道等作现场测量。二十世纪九十年代初，美国AST 公司开发的X2001型X射线应力分析仪采用独特的测角仪设计，在经过改进的ψ几何系统的入射线两侧对称安装了两个位敏探测器，定峰时采用互相关法，保证了很高的准确性和重复性，提高了测量精度和测量速度，在几秒钟内就能完成一次测量，且总重量仅74kg。这种应力仪通过编程可以进行-45°~ +60°的ψ侧倾，2θ角范围达到97.6°~ 169.40°，并增加了-180°~ +180读的旋转，可以测定材料表面的三维残余应力及梯度。

1.2测试标准

自1971年美国汽车工程师学会发布第一个X射线衍射残余应力测定行业标准SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料学会颁布第一个X射线残余应