一種短波長(zhǎng)x射線衍射的板狀內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法
【專利摘要】多晶體材料(如鋁合金、鋼鐵等)加工后，在多晶體材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，本發(fā)明針對(duì)織構(gòu)不強(qiáng)的多晶體板狀材料或板狀工件，利用短波長(zhǎng)特征X射線衍射儀器，提供了一種短波長(zhǎng)X射線衍射的板狀內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法，直接測(cè)量多個(gè)Ψ角(45°≤Ψ≤90°)方向的某一(hkl)晶面衍射譜，并基于布拉格原理和廣義胡克定律的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算得到所測(cè)部位的所測(cè)方向的應(yīng)力。采用上述此方法，通過X、Y、Z的平移，就可以測(cè)得另一其它部位的應(yīng)力；通過板狀材料或板狀工件繞其板面法線的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以測(cè)得另一其它方向的應(yīng)力。本發(fā)明針對(duì)織構(gòu)不強(qiáng)的多晶體板狀材料或板狀工件，可以測(cè)得其內(nèi)部任一部位、XY平面任一方向的應(yīng)力。
【專利說明】-種短波長(zhǎng)X射線衍射的板狀內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種利用短波長(zhǎng)特征X射線衍射的不需要無應(yīng)力標(biāo)樣的板狀試樣內(nèi) 部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法，適用于織構(gòu)不強(qiáng)的多晶體材料制備的板狀材料和工件內(nèi)部應(yīng)力 及其分布的無損檢測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 多晶體材料（如侶合金、鋼鐵等）在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造等加工后，由于 不均勻的塑性變形，往往在多晶體材料內(nèi)部產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力，在其后的機(jī)械加工中，由于 內(nèi)部殘余應(yīng)力的重新平衡而導(dǎo)致變形，變形程度直接與機(jī)械加工前的材料內(nèi)部殘余應(yīng)力及 其分布密切相關(guān)。不僅如此，材料/工件的力學(xué)性能亦與其內(nèi)部殘余應(yīng)力及其分布密切相 關(guān)。目前，材料/工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)仍然是未能得到較好解決的難題。
[0003] 對(duì)于晶體材料的應(yīng)力無損測(cè)定，世界上往往采用晶體衍射法。通常的X射線衍射 法，采用普通的X射線管，只能無損測(cè)定材料/工件表面10微米左右厚的平均應(yīng)力，即通 常的X射線衍射法只能無損測(cè)定表面應(yīng)力。而要無損測(cè)定材料/工件的內(nèi)部應(yīng)力，通常要 采用核反應(yīng)堆的中子衍射，或者高能同步福射的短波長(zhǎng)X射線衍射，但是，該兩種裝置的造 價(jià)和維護(hù)費(fèi)用高昂，而在國(guó)際上，利用中子衍射的采用制備無應(yīng)力標(biāo)樣技術(shù)無損測(cè)定材料/ 工件內(nèi)部應(yīng)力的方法已較為成熟，而且，我國(guó)在利用該兩種方法無損測(cè)定材料/工件內(nèi)部 應(yīng)力的測(cè)試研究尚在進(jìn)行中。在公開的W重金屬祀X射線管為福射源的短波長(zhǎng)X射線儀的 測(cè)試方法中，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮榛?01010586489. 7的發(fā)明專利申請(qǐng)中還公布了一種定點(diǎn) 無損檢測(cè)軸制侶合金板材內(nèi)部軸向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力的方法，它采用W祀X射線管 福射，通過制備的無應(yīng)力標(biāo)樣獲得參考原始晶面間距d。，測(cè)算軸向和橫向應(yīng)變，計(jì)算得到軸 制板材內(nèi)部的軸向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力，該方法需要制備無應(yīng)力標(biāo)樣，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)， 而且難于保證制備的無應(yīng)力標(biāo)樣內(nèi)部殘余應(yīng)力值為零，增大了測(cè)試誤差，影響了材料/工 件內(nèi)部殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種利用重金屬陽極祀X射線管作為福射源的短波長(zhǎng)X射線 衍射的板狀內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法，該方法免除了費(fèi)工費(fèi)時(shí)制備的無應(yīng)力標(biāo)樣及其增 大測(cè)試誤差的影響，可W無損檢測(cè)材料和工件所測(cè)部位的任意方向的應(yīng)力。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] (1)選定測(cè)量所用的重金屬祀X射線管的短波長(zhǎng)特征X射線Ka系；根據(jù)X射線 管的重金屬祀材的短波長(zhǎng)特征X射線K a系的能量，設(shè)定X射線探測(cè)分析系統(tǒng)的能量分析 器上下闊，如此該樣，X射線探測(cè)分析系統(tǒng)只測(cè)量重金屬祀X射線管發(fā)出的短波長(zhǎng)特征X射 線Ka 1，或者Ka 1和Ka 2,如W祀金屬祀X射線管發(fā)出短波長(zhǎng)特征X射線WKa 1的能量為 59. 3kev，設(shè)定其X射線探測(cè)分析系統(tǒng)的能量分析器上闊為60. Okev和下闊為58. 6kev的 話，其X射線探測(cè)分析系統(tǒng)就只測(cè)量短波長(zhǎng)特征X射線WK a 1;
[0007] (2)選取測(cè)試的衍射晶面化kl)并計(jì)算衍射角2 0 hki;選取試樣的最強(qiáng)衍射峰或較 強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)的化kl)晶面作為測(cè)試的衍射晶面，例如，對(duì)于侶試樣的A1 (311)晶面及W祀 金屬祀X射線管，根據(jù)布拉格方程，由AU311)晶面間距和WKai的波長(zhǎng)計(jì)算得到2 0 311 = 9.8190° ；
[000引 做設(shè)置測(cè)量化叫晶面衍射譜的測(cè)試參數(shù)；設(shè)置儀器的管電壓、管電流、2 0的掃 描范圍、步長(zhǎng)等測(cè)量化kl)晶面衍射譜的其它測(cè)試參數(shù)，其中，管電壓為所選重金屬祀X射 線管發(fā)出的短波長(zhǎng)特征X射線K a 1激發(fā)電壓的2?6倍，例如，對(duì)于W祀金屬祀X射線管 發(fā)出的短波長(zhǎng)特征X射線K a 1，管電壓的設(shè)置在120?360kv范圍內(nèi)選定；
[0009] (4)多個(gè)W角的選擇：在W = 45。?90。范圍內(nèi)選擇n個(gè)W角，W = 45。， ^2,…，^。_1，90° (n為大于1的正整數(shù)，一般來說n = 4)，n個(gè)W角既可W在W=45。? 90°范圍內(nèi)按照等角度間距選取，也可W在sin2W = 0. 5?1范圍內(nèi)按照sin2W值等間距 選取；
[0010] (5)板狀試樣安裝：將板材試樣（W下簡(jiǎn)稱試樣）固定于樣品臺(tái)上并使得試樣板 面法線與入射的X射線平行，W及所需測(cè)試應(yīng)力的方向在W角轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)；
[0011] (6)試樣內(nèi)部被測(cè)部位平移到衍射儀園的圓屯、；通過樣品臺(tái)的X、Y、Z平移，將試樣 被測(cè)部位運(yùn)動(dòng)到衍射儀園的圓屯、；
[001引 （7)多個(gè)W角的化Id)晶面衍射譜測(cè)試和定峰：依次測(cè)量W = 45°，^2，…， ^。_1，90°的化kl)晶面衍射譜；
[0013] (8)各W角的化kl)晶面衍射譜定峰并計(jì)算試樣內(nèi)部被測(cè)部位的應(yīng)力：采用拋物 函數(shù)線法或高斯函數(shù)法擬合（hkl)衍射峰，計(jì)算得到各W角化kl)晶面衍射譜的峰位的 2 0 **，簡(jiǎn)化的平面應(yīng)力狀態(tài)的試樣內(nèi)部被測(cè)部位、被測(cè)方向的應(yīng)力呵計(jì)算公式為
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種短波長(zhǎng)X射線衍射的板狀內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法，所述方法包括如下： (1) 選定測(cè)量所用的重金屬靶X射線管的短波長(zhǎng)特征X射線Ka系：根據(jù)X射線管的 重金屬靶材的短波長(zhǎng)特征X射線Ka系的能量，設(shè)定X射線探測(cè)分析系統(tǒng)的能量分析器上 下閾； (2) 選取測(cè)試的衍射晶面（hkl)并計(jì)算Ka系對(duì)應(yīng)的衍射角2 0 hkl:選取試樣的最強(qiáng)衍 射峰或較強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)的晶面（hkl)作為測(cè)試的衍射晶面，計(jì)算得到短波長(zhǎng)特征X射線Ka 系對(duì)應(yīng)的衍射角2 0 hkl; (3) 設(shè)置測(cè)量（hkl)晶面衍射譜的測(cè)試參數(shù)：設(shè)置儀器的管電壓為所選重金屬靶X射 線管發(fā)出的短波長(zhǎng)特征X射線Kai激發(fā)電壓的2?6倍，設(shè)置包括2 0hkl的掃描范圍、步長(zhǎng) 在內(nèi)的測(cè)量（hkl)晶面衍射譜的測(cè)試參數(shù)； (4) W角的選擇：在W=45°?90°范圍內(nèi)選擇n個(gè)屯角，屯=45°，W2，…，Wh， 90°，n為大于1的正整數(shù)； (5) 板狀試樣安裝：將板材試樣固定于樣品臺(tái)上并使得板材試樣板面法線與入射的X 射線平行，以及所需測(cè)試應(yīng)力的方向在W角轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)； (6) 板材試樣內(nèi)部被測(cè)部位平移到衍射儀園的圓心； (7) 多個(gè)W角的（hkl)晶面衍射譜測(cè)試：依次測(cè)量W= 45°，W2，…，的 (hkl)晶面的Ka系衍射譜； (8) 各W角的（hkl)晶面衍射譜定峰并計(jì)算板狀試樣內(nèi)部被測(cè)部位的應(yīng)力：擬合衍射 峰，定峰計(jì)算得到Ka:對(duì)應(yīng)的各W角的（hkl)晶面衍射譜的峰位20#，簡(jiǎn)化的平面應(yīng)力狀 態(tài)的試樣內(nèi)部被測(cè)部位、被測(cè)方向的應(yīng)力~計(jì)算公式為
其中，K一一所測(cè)試樣材料（hkl)晶面的X射線應(yīng)力常數(shù)； M--％對(duì)sin2W的變化斜率； Qhkl一一所測(cè)試樣材料（hkl)晶面的理論值； ^一一所測(cè)試樣板面法線與所測(cè)試樣材料晶面（hkl)法線的夾角； 2、 所測(cè)試樣在各W角時(shí)測(cè)得的（hkl)晶面衍射角； Ehkl一一所測(cè)試樣材料（hkl)晶面的彈性模量； Vhkl一一所測(cè)試樣材料（hkl)晶面的泊松比； 計(jì)算過程：由屯=45°?90°范圍內(nèi)測(cè)得的n個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到20?^對(duì)Sin2^r 的變化斜率M;由Ehkl、Vhkl以及0hkl就可以計(jì)算得到所測(cè)試樣材料晶面的X射線應(yīng)力常數(shù) K;將計(jì)算得到的K、M帶入cv計(jì)算公式，就可以由Ka:衍射譜計(jì)算得到試樣內(nèi)部被測(cè)部位、 被測(cè)方向的應(yīng)力值％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波長(zhǎng)X射線衍射的板材內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法，其特 征在于：所述步驟⑶中，還可以由包含Ka2的（hkl)晶面衍射譜，計(jì)算得到Ka2對(duì)應(yīng)的各 W角應(yīng)的（hkl)晶面衍射譜的峰位20#，并代入應(yīng)力〇9計(jì)算公式，得到由Ka2衍射譜計(jì)算 的試樣內(nèi)部被測(cè)部位、被測(cè)方向的應(yīng)力值cV并按照Ka:與Ka2的強(qiáng)度比2 :1加權(quán)平均計(jì) 算，得到由Ka系衍射譜計(jì)算的試樣內(nèi)部被測(cè)部位、被測(cè)方向的應(yīng)力值％。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短波長(zhǎng)X射線衍射的板材內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法， 其特征在于：所述步驟（5)中，所需測(cè)試應(yīng)力的方向?yàn)榘鍫钤嚇影迕鎯?nèi)任意方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短波長(zhǎng)X射線衍射的板材內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法， 其特征在于：所述步驟（7)中，針對(duì)粗晶，增加步驟：試樣在X或Y方向上做一定振幅的往復(fù) 運(yùn)動(dòng)，減小衍射的統(tǒng)計(jì)誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短波長(zhǎng)X射線衍射的板材內(nèi)部應(yīng)力定點(diǎn)無損檢測(cè)方法， 其特征在于：所述步驟（4)中n個(gè)W角在W= 45°?90°范圍內(nèi)按照等角度間距選取， 或者在Sin2W= 0. 5?1范圍內(nèi)按照Sin2W值等間距選取。
【文檔編號(hào)】G01N23/207GK104502385SQ201410842101
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】鄭林, 張鵬程, 肖勇, 張津, 何長(zhǎng)光, 彭正坤, 竇世濤 申請(qǐng)人:西南技術(shù)工程研究所, 中國(guó)工程物理研究院材料研究所