X射线衍射在残余应力分析中的应用
射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
X射线衍射方法测量残余应力得原理与方法-STRESSX射线衍射方法测量残余应力得原理与方法什么就是残余应力？外力撤除后在材料内部残留得应力就就是残余应力。
但就是，习惯上将残余应力分为微观应力与宏观应力。
两种应力在X射线衍射谱中得表现就是不相同得。
微观应力就是指晶粒内部残留得应力，它得存在，使衍射峰变宽。
这种变宽通常与因为晶粒细化引起得衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。
通过测量衍射峰得宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力得大小。
宏观应力就是指存在于多个晶体尺度范围内得应力，相对于微观应力存在得范围而视为宏观上存在得应力。
一般情况下，残余应力得术语就就是指在宏观上存在得这种应力。
宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上得表现就是使峰位漂移。
当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间得距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。
通过测量样品衍峰得位移情况，可以求得残余应力。
X射线衍射法测量残余应力得发展X射线衍射法就是一种无损性得测试方法，因此，对于测试脆性与不透明材料得残余应力就是最常用得方法。
20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体得应力。
后来日本成功设计出得X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术得发展作了巨大贡献。
1961年德国得E、Mchearauch提出了X射线应力测定得sin2ψ法，使应力测定得实际应用向前推进了一大步。
X射线衍射法测量残余应力得基本原理Ｘ射线衍射测量残余内应力得基本原理就是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得得结果实际上就是残余应变，而残余应力就是通过虎克定律由残余应变计算得到得。
其基本原理就是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生得衍射峰也将随之移动，而且移动距离得大小与应力大小相关。
用波长λ得X射线，先后数次以不同得入射角照射到试样上，测出相应得衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ得斜率M，便可算出应力σψ。
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。
二、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。
三、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。
残余应力测量方法
残余应力是指材料内部或表面存在的不平衡力，它可以对材料的性能和可靠性产生重要影响。
以下是几种常见的残余应力测量方法：
1.X射线衍射法（X-ray Diffraction, XRD）：这是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量
材料中晶体结构的畸变来间接计算残余应力。
X射线经过材料后会发生衍射，根据衍射角度的变化可以推断出残余应力的大小和方向。
2.中子衍射法（Neutron Diffraction）：类似于X射线衍射法，中子衍射法也是通过测量材
料晶体结构的畸变来确定残余应力。
相比X射线，中子具有更好的穿透能力，因此可以深入材料内部进行测量，适用于非金属材料的残余应力分析。
3.压电法（Piezoelectric Method）：利用材料的压电效应来测量残余应力。
该方法通过将
压电传感器固定在被测物体上，然后施加外力引起压电传感器的形变，根据形变量的变化推断出残余应力的大小。
4.高斯法（Hole Drilling Method）：这是一种常用的局部测量方法，适用于金属材料。
该
方法通过在被测物体上钻一个小孔，然后测量孔周围的表面应变的变化来计算残余应力。
5.激光干涉法（Laser Interferometry）：利用激光的干涉原理来测量表面的微小位移，从
而推断出残余应力的分布情况。
激光干涉法可以提供高精度的残余应力测量结果。
需要注意的是，不同的测量方法适用于不同类型的材料和应力状态，选择合适的方法取决于具体的应用需求和材料特性。
在进行残余应力测量时，应根据实际情况综合考虑各种因素，并采取适当的措施以确保测量结果的准确性和可靠性。
残余应力的测试标准
残余应力的测试标准残余应力是指在物体内部或表面存在的一种应力状态，它是在物体内部或表面上由于加工、焊接、热处理等工艺过程中产生的应力。
残余应力的存在会对材料的性能和使用寿命产生一定的影响，因此对残余应力进行测试是非常重要的。
下面将介绍残余应力的测试标准及相关内容。
1. 测试方法。
残余应力的测试方法有很多种，常见的包括X射线衍射法、光栅法、中子衍射法、电子衍射法等。
其中，X射线衍射法是应用最为广泛的一种方法。
通过X射线衍射仪器可以测定材料内部的应力状态，得到残余应力的大小和分布情况。
2. 测试标准。
在进行残余应力测试时，需要遵循一定的测试标准，以保证测试结果的准确性和可靠性。
国际上常用的残余应力测试标准有ASTM E837-13、ISO 2360:2003、GB/T 2970-2016等。
这些标准对于测试方法、设备精度、样品制备、测试程序、数据处理等方面都有详细的规定，使用者可以根据实际情况选择合适的标准进行测试。
3. 测试样品。
在进行残余应力测试时，选择合适的测试样品对于测试结果的准确性至关重要。
通常情况下，可以选择金属材料、焊接接头、热处理件等作为测试样品。
对于不同材料和工艺的测试样品，需要根据标准要求进行制备和处理，以保证测试的有效性。
4. 测试结果。
残余应力测试的结果通常以应力大小和分布图形式呈现。
通过对测试结果的分析，可以了解材料内部或表面的应力状态，为进一步的工艺改进和材料设计提供参考依据。
同时，测试结果也可以用于评估材料的质量和可靠性，对于产品的使用和维护具有重要意义。
5. 应用领域。
残余应力测试在航空航天、汽车制造、电子设备、建筑结构等领域都有着广泛的应用。
通过对材料残余应力的测试，可以有效地预防材料的疲劳破坏、断裂和变形，提高产品的使用寿命和安全性，对于保障工程质量和产品质量具有重要意义。
6. 结语。
残余应力的测试标准对于保证测试结果的准确性和可靠性至关重要。
通过遵循相关的测试标准和方法，可以得到准确的残余应力测试结果，为材料的设计和工艺改进提供科学依据。
残余应力测试方法
残余应力测试方法残余应力是指材料或结构在受力作用后，未完全消除的应力。
残余应力的存在可能会对材料的性能和结构的稳定性产生影响，因此对残余应力进行测试和评估是非常重要的。
一、残余应力的形成原因1. 加工过程中的应力：在材料加工过程中，由于变形、切削或焊接等操作，会引入应力，这些应力可能会在材料中残留下来。
2. 热应力：材料在加热和冷却过程中，由于热胀冷缩不均匀，会产生热应力，这些应力也可能会残留下来。
3. 外部载荷：材料受到外部力的作用，如压力、拉力或弯曲力等，会导致材料产生应力，这些应力也可能会残留下来。
二、残余应力的测试方法1. X射线衍射法：通过测量材料中晶格的畸变程度来间接推测残余应力的大小和方向。
2. 中子衍射法：利用中子的衍射特性来分析材料中晶体的结构和应力状态。
3. 应变测量法：通过测量材料中的应变来推断残余应力的大小和分布。
4. 晶格畸变法：通过分析材料中晶格的畸变情况来评估残余应力。
5. 超声波法：利用超声波在材料中传播的速度和衰减情况来测量材料中的应力。
6. 磁性法：利用材料磁性的变化来分析残余应力的分布和大小。
7. 光学法：通过光学显微镜或偏光显微镜观察材料中的应力畸变情况。
8. 拉伸法：将材料进行拉伸测试，通过测量材料的应变和应力来计算残余应力。
三、残余应力测试的应用领域1. 金属材料：在金属材料的制备和加工过程中，残余应力会对材料的强度、韧性和疲劳寿命等性能产生影响，因此对金属材料中的残余应力进行测试是非常重要的。
2. 焊接结构：焊接过程中产生的残余应力可能会导致焊接接头的变形或裂纹，因此对焊接结构中的残余应力进行测试可以评估焊接接头的质量和可靠性。
3. 玻璃材料：玻璃材料在制备和加工过程中可能会产生残余应力，这些应力可能会导致玻璃材料的破裂或变形，因此对玻璃材料中的残余应力进行测试可以评估其稳定性和可靠性。
4. 复合材料：在复合材料的制备和加工过程中，残余应力可能会导致复合材料的层间剥离或破坏，因此对复合材料中的残余应力进行测试可以评估其性能和可靠性。
残余应力无损检测方法
残余应力无损检测方法嘿，你知道不？残余应力那可是个大问题呢！无损检测方法就像个超级侦探，能在不破坏材料的情况下找出残余应力。
那咱就说说这神奇的无损检测方法吧！首先，X 射线衍射法就超厉害。
把材料放在那，X 射线一照，就像医生给病人拍片子似的，能看出材料内部的残余应力分布。
步骤嘛，就是调整好设备，让X 射线准确地照射到材料上，然后分析反射回来的X 射线信号。
这多牛啊！注意事项呢，可得小心操作设备，别让X 射线伤着自己。
那安全性咋样？放心吧，只要按规定操作，那是妥妥的安全。
稳定性也没得说，每次检测结果都挺靠谱。
这种方法适合检测各种金属材料，优势就是准确、快速。
比如说在航空航天领域，那飞机零件的残余应力检测可离不开它。
检测得准，飞机飞得才安心嘛！再说说超声检测法。
这就像用超声波给材料做体检。
把探头放在材料上，超声波在材料里传播，通过分析超声波的变化就能知道残余应力的情况。
步骤简单，放好探头，启动设备就行。
注意别把探头弄坏了。
安全性那是杠杠的，超声波又不会伤人。
稳定性也不错，检测结果比较稳定。
这种方法应用场景可广了，汽车制造、机械加工都能用。
优势就是方便、快捷，可以在生产线上直接检测。
这不就像有个随时待命的小助手嘛！还有磁测法呢！就像用魔法探测材料的残余应力。
通过测量材料的磁性变化来判断残余应力。
步骤不难，把仪器靠近材料就行。
注意别让磁场干扰其他设备。
安全性好得很，没啥危险。
稳定性也还行。
在钢结构检测中很管用。
优势就是可以快速检测大面积的材料。
哇塞，这多厉害！总之，残余应力无损检测方法那是超级棒！各种方法都有自己的优势和应用场景。
在实际生产中，根据不同的需求选择合适的方法，就能让我们的产品更安全、更可靠。
这难道不是超赞的事情吗？咱可一定要重视残余应力检测，让我们的生活更美好！。
钢板残余应力检测方法的实验比较
钢板残余应力检测方法的实验比较目录一、内容概括 (2)1.1 实验目的 (2)1.2 理论依据 (3)二、实验方法 (4)2.1 X射线残余应力测量 (5)2.1.1 实验仪器及材料 (6)2.1.2 实验过程 (7)2.1.3 数据分析方法 (8)2.1.4 结果与讨论 (10)2.2 超声波残余应力测量 (11)2.2.1 实验仪器及材料 (13)2.2.2 实验过程 (14)2.2.3 数据分析方法 (15)2.3 激光全息测量技术 (18)2.3.1 实验仪器及材料 (18)2.3.2 实验过程 (20)2.3.3 数据分析方法 (21)2.3.4 结果与讨论 (22)三、实验结果比较 (23)3.1 X射线法的残余应力分布情况 (24)3.2 超声波法的残余应力分布情况 (25)3.3 激光全息表明测量残余应力分布情况 (27)3.4 残余应力测量方法的比较 (28)四、结论 (29)4.1 钴法X射线的优势与局限 (30)4.2 超声波法在工业检测中的优势 (31)4.3 激光全息测量的精细化与非破坏性 (31)一、内容概括钢板残余应力检测在金属加工和制造行业中至关重要，确保产品质量与材料性能的可靠性。
本文旨在比较和分析当前可用的几种钢板残余应力检测技术，包括激光拉曼光谱技术、差动相位干涉术（DPI）、超声无损探伤技术（UT）以及X射线衍射（XRD）技术。
通过详细阐述每种检测方法的理论基础、操作模式、实际应用场景、优势及限制，本段内容将为后续章节中对各种检测方法进行实验比较搭建框架，并指导读者理解不同检测手段在钢板残余应力评估中的作用和重要性。
本文还旨在探讨在残余应力测试领域中的最新进展以及标准化实践，使读者能够获得全面的实验比较并深入思考未来钢板残余应力检测发展的方向。
1.1 实验目的适用性范围：分析每种方法在不同类型的钢板结构、厚度以及残余应力水平上的适用性和限制。
测量结果的可靠性：通过重复测量和比较不同方法的结果，评估每种方法所得数据的一致性和可靠性。
X射线衍射技术在薄膜残余应力测量中的应用
关键 词 ： 残余应 力 ； 平行 光镜 ； 细 管 ； 毛 同步 辐射 源 Ｘ 射线 ： 二维探 测 器 中图分类号 ： ＴＧ１ ５ ２ １． ２ 文献标 识 码 ： Ａ
文章 编号 ：０ １９ ３ （０ ７ １ —７ ５０ １ ０ —７ １ ２ ０ ） １１ ４ —５
随着 转 靶 和 同 步 辐 射 Ｘ 射 线 源 等大 功 率 Ｘ射 线
Ｘ 射线 穿透 深度 很 浅 （ 于传 统 材 料一 般 仅 为几 十微 对 米 ） 因此 可 以认 为 材 料 表 面 处 于 平 面应 力 状 态 ， 时 ， 这 不 同方位 角 下 测 量 得 到 衍 射 晶 面 的 Ｘ射线 衍射 峰 会 发 生相应 的移动 ；（ ｋ ） ｈ １ 晶面 间距 ｄｋ ｓ ２ 成线 Ｉ ｉ ｈ与 ｎ
维普资讯
杨
帆 等 ： 射 线衍 射 技术 在 薄 膜 残 余 应 力 测 量 中 的 应 用 Ｘ
Ｘ射 线 衍 射 技 术 在 薄 膜 残 余 应 力测 量 中 的应 用
杨 帆 ， 维栋 蒋建 清 费 ，
（１ 东 南大 学 材料 科 学与工 程学 院 ， ． 江苏 南 京 ２ １ ８ ； １ １ ９ ２ 哈 尔滨 工 业大 学 材料 科 学与工 程学 院 ， 龙江 哈尔 滨 １ ０ ０ ） ． 黑 ５ ０ １
ｔｕ 、 ｒｍ） 中子衍 射 法 （ ｕｒ ｎｄｆ ａ ｔ ｎ 、 痕 法 （ｎ Ｎｅ ｔｏ ｉ ｒｃｉ ） 压 ｆ ｏ ｉ— ｄ ｎａｉｎ ｍｅｈ ｄ 和 Ｘ 射 线 衍 射 法 （ —ａ ｉ ｒｃ ｅ ｔｔ ｔ ｏ ） ｏ Ｘ ｒｙ ｄｆ ａ— ｆ
性 关 系 ， 时可 以通 过 拟合 ｄｋ ｓ 曲线求 得材 料 此 ～ ｉ ｈ Ｉ ｎ 中的残余 应 力 。ｓ 法 测 量残 余 应力 的基 本公 式 如 ｉ ｎ
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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９．６Ｃｏ ８．９Ｃｒ
６．６Ｗ ４．３Ａｌ２．９Ｔｉ ３．４Ｔａ ２．１Ｍｏ 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
０．１５ ｍｍ Ａ 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－
１２ ｍ２ Ｎ－１ Ｓ１２＝－３．０６７×１０－１２ ｍ２Ｎ－１ Ｓ４４＝７．７５２
×１０－１２ ｍ２ Ｎ－１ Ｘ射线弹性常数Ｋ＝－５１９Ｎ ｍｍ－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ｎ １ ｎ ２ ｎ ３ 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]。
.
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