X射线衍射在残余应力分析中的应用

X射线衍射在残余应力分析中的应用

杨国彬

（测101）

摘要 X射线衍射测量残余应力的原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测量的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。

关键词 X射线衍射残余应力 XRD

1引言 X射线衍射在残余应力分析中具有重要的作用。X射线应用在残余应力的分析中，是科技的一项重大突破。其中在：定量分析轴承和内燃机喷射器部件中的残余奥氏体检测输片惰性轮中的残余应力检测汽车发动机部件的残余应力（凸轮轴、连杆、发动机轴、均衡器）检测由于全回火引起的残余应力（家用电器、结构部件）检测气体传导时所存在的工作压力检测大幅度拉伸结构件中的工作应力通过检测应力来测量工件喷丸和轧制的效率检测铸件的残余应力（机械工具铸铁件和汽车铸铝部件）检测焊接引起的应力（激光和电焊）研究铝合金汽车轮廓中的残余应力和应力阻抗的关系优化切削去除的工作参数以提高机械部件的应力阻抗检测螺旋式和叶式弹簧的残余应力研究加上工作载荷后的临界区域（武器和航空）等很多领域都有贡献。

2应用举例

（1）DD3镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的X射线衍射分析

１试样制备与测试方法

试验材料为ＤＤ３镍基单晶高温合金其化学成分质量分数％为９．６Ｃｏ８．９Ｃｒ６．６Ｗ４．３Ａｌ２．９Ｔｉ３．４Ｔａ２．１Ｍｏ将其进行１２５０℃×４ｈ空冷＋８７０℃×３２ｈ空冷的热处理后其组成相为固溶体相和′相晶体结构为立方晶系采用线切割加工出块状试样尺寸为２０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍ单晶１１１晶向为试样的表面法线方向即单晶１１１面与试样表面平行对试样原始线切割面进行磨削加工磨削深度超过０．５ｍｍ然后进行喷丸处理采用直径为０．２ｍｍ的陶瓷丸喷丸强度为０．１５ｍｍＡ型试片确保覆盖率在２００％以上使用ＤｍａｘｒＣ型Ｘ射线衍射仪铜靶Ｋ辐射测定３３１衍射晶面单晶弹性柔度系数Ｓ１１＝７．６８５×１０－１２ｍ２Ｎ－１Ｓ１２＝－３．０６７×１０－１２ｍ２Ｎ－１Ｓ４４＝７．７５２×１０－１２ｍ２Ｎ－１Ｘ射线弹性常数Ｋ＝－５１９Ｎｍｍ－２结合电化学腐蚀技术进行剥层分别测试喷丸试样不同层深处单晶组分与多晶组分中的残余应力５

由图１可见试样表面法线ｚ轴为晶体ｎ１ｎ２ｎ３方向试样表面某特定方向ｘ轴即晶体ｗ１ｗ２ｗ３方向空间ＯＰ方向是ｈｋｌ晶面的法线方向。

１叶片的断裂属于疲劳断裂裂纹源始于叶

片的进气边

２叶片产生断裂的内因为所用材料与常规设

计材料不符且采取的热处理工艺不当叶片表面颗

粒冲蚀产生的凹坑是疲劳裂纹形成的外因。

（2）X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力。1 X 射线衍射应力测定法

图1 所示是X 射线衍射应力测定法的基本工作原理. X射线衍射法测定某种晶体材料的残余应力是根据晶面间距的变化来计算材料应力的. 通过O 点,沿试件表面应力测定方向的X 轴, 垂直试件表面方向的Z 轴,与Z 轴呈U角有一条斜线, 它对应的X射线衍射角为2H U x ,则X 方向的应力可利用

下式计算:

式中, E 为材料的弹性模量( MPa) , L为材料的泊松比, H 0为无应力状态下材料的X 射线衍射角, 2H U x为衍射角, U为被测表面法线与衍射晶面法线间的夹角, U0为入射X 射线与被测表面法线的夹角[7, 9, 1 1]。

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实验研究获得的X 射线衍射残余应力测定结果,其应力分布在总趋势上与理论分析和其他方法的测定结果基本一致。

（3）X 射线衍射技术在薄膜残余应力测量中的应用

所谓掠入射,就是把入射X 射线以与表面近平行的方式入射,其夹角只有1 b左右。此时X 射线穿透深度很浅,从而实现薄膜(尤其是纳米薄膜)表面及近表层的结构分析。显然掠入射几何要求采用高平行度的X 射线。20 世纪90 年代GÊbel镜的发明及其在试验

室技术的应用, 极大地促进了掠入射X 射线衍射( gr azing incidence X -ray diff ract ion, GIXRD)技术及理论的发展。GIXRD 使用非对称的衍射几何, 如图3所示。其中, GÊbel镜可将发散的X 射线转变为接近理想的平行光, 在减少光源发散度的同时提高了薄膜的衍射

强度; GIXRD 采用固定的掠射角A ,探测器单动做2H扫描接收衍射信号。

X 射线衍射技术是纳米薄膜及强织构薄膜残余应力表征的重要手段。随着转靶X 射线、同步辐射X 射线等高强度X 射线源的应用,以及GÊbel镜、毛细管元件和高精度新型二维探测器等衍射仪功能附件的出现,薄膜微结构及残余应力分析进入了一个新的阶段,其中以X 射线掠入射衍射及微衍射分析为代表。相比较于中子辐射源, 高强度的X 射线源(如转靶X 射线)更容易在试验室技术中得到应用,随着分析理论的发展和基于同步辐射X 射线的工作开展, X 射线衍射技术必将在未来获得更广泛的应用。

3结论

用X射线衍射测量残余应力既方便又实用，既大大的降低了测量的难度，又提高了残余应力测量的准确性。是一个非常好的测量方法。但是x射线的穿透深度较小，只能测量材料表面的残余应力，如果需要测量材料内部的残余应力，或者测量应力梯度，其能力则显得有些苍白。通常采用的的方法是梯成法。

参考文献

陈艳华须庆姜传海嵇宁，ＤＤ３镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的Ｘ射线衍射分析中国期刊全文数据库2012/03

李黎习宝田杨永福X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力北京林业大学学报2005/03 中国期刊全文数据库

杨帆费维栋蒋建清X射线衍射技术在薄膜残余应力测量中的应用功能材料2007/11 中国期刊全文数据库