X射线衍射法残余应力测试.pdf

目录1.概述 . 21.1 X 射线残余应力测试技术和测量装置的进展 . 2a.测试技术的进展 3b.测量装置的进展 41.2 测试标准 . 52、测定原理及方法：. 62.1 二维残余应力. 62.1.1 原理 62.1.2 方法 92.2 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dψ?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，dψ?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ahkl与2cossin直线之斜率求得，所利用的关系为:2 00cos sinhklaaddaR，式中，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， ahkl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 射线残余应力测定国家标准 JSMS-SD-10-1973 “Standard Method for X -ray Stress Measurement ”以来，作为一种无损检测技术，X 射线衍射法测定残余应力得到了越来越广泛的应用，技术手段也日益成熟。

为反映最新的技术进步和成熟的测定方法，欧盟标准委员会(CEN)于 2008 年月 4日 批 准 了 新 的X射 线 衍 射 残 余 应 力 测 定 标 准EN15305-2008“ Non-destructive Testing: Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction ” 该标准于 2009年 2 月底在所有欧盟成员国正式实施 相呼应的， 美国试验材料学会 (ASTM) 也于 2010 年 7 月发 布 了 最 新 的X射 线 衍 射 残 余 应 力 测 定 标 准ASTM E915-2010“ Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement ” 2、测定原理及方法：2.1 二维残余应力2.1.1 原理对无织构的多晶体金属材料来说， 在单位体积中含有数量极大的、取向任意的晶粒， 在无应力存在时， 各晶粒的同一 {HKL} 晶面族的晶面间距都为 d0。

假定有图所示的、平行于试样表面的拉应力σ?作用于该多晶体时，显而易见，与表面平行的{HKL}晶面(即 ψ =0 的晶面)的晶面间距，会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{HKL}晶面(即 ψ =90° 的晶面 )的晶面间距被拉长在上述两种取向之间的同一{HKL}晶面间距，将随 ψ角的不同而不同 即是说，随晶粒取向的不同，ψ将从 0 连续变到 90° ，晶面间距的改变量Δ d 将从某一负值连续变到某一正值这在宏观上即表现出该多晶体在σ?的作用下将产生一定的应变，且应力σ?越大，Δ d 的变化也越大对一般金属材料， X 射线的穿透深度很浅，仅10μm 左右，它所记录的仅仅是工件表面的应力由于垂直于表面的应力分量为零，所以它所处理的总是二维平面应力测定这类应力的典型方法即sin2ψ法在图 2.2 确定的坐标体系中，空间任一方向的正应力为: 222 112233式中，1、2、3是对应方向的方向余弦即: 122 3sincossinsincos1sin同理，任一方向的正应变为：222 112233而描述主应力和主应变两者关系的广义Hooke 定律为 : 112321333121()E 12()E 1()E式中，E、 分别是材料的弹性模量和泊松比。

注意到30，故实际测得的应力是图2.2 中的 σψ，即被测工件 (各向同性材料 )的表面应力 由 Bragg定律 2dsinθ =兄可以得出应变与衍射线角位移的关系，即：0 00 0cot()ddd dd式中， d0和 θ0分别为无应力时晶面(HKL)的面间距和Bragg角;dψ?和 θψ?分别是有应力时法向位于(ψ 、?)方向的 (HKL)晶面的面间距和 Bragg 角; εψ?是(ψ 、?)方向的应变，而ψ和?分别为衍射晶面法线对选定坐标的旋转角和倾斜角(见图 2.2)因此，由上述五式经过变换即可得到 : 02E(2 )cot2(1)180(sin)令10EKcot2(1)180，2(2 )M=(sin)，则：1K M式中 K1为应力常数 ;M 为 2θ 对 sin2ψ的斜率此即残余应力测定的基本公式2.1.2 方法根据上述原理， 用波长为兄的 X 射线先后数次以不同的入射角θ照射试样，测出相应的衍射角2θ ，求出 2θ对 sin2ψ的斜率，便可算出应力外完成上述测定，有X 射线照相法、 X 射线衍射仪法和X射线应力仪法照相法效率低、误差大，尤其在衍射线条十分漫散时更为突出，且一般只能测定小试样的应力；衍射仪法和应力仪法是目前主要的残余应力测试方法， 前者一般适用于小试样的应力测定，而后者则大小试样均适用，且更宜于现场测试，应用最为广泛。

○ 1 X 射线照相法如图 2.3所示将一束经过光阑准直的单色X 射线垂直投射到试样表面(试样表面涂有标准物质粉末，以校正试样与底片间的距离)，采用背射针孔照相法， 利用接近平行于试样表面的晶面作为反射面得到衍射线环当试样受到沿z 方向的拉伸时 (即试样受单轴应力 )，这些平行或接近平行于试样表面的晶面间距将会缩小，由此可以测出垂直于试样表面方向 (y 方向)的应变，如果 d0和 d1为这个反射晶面族在受到应力作用前后的晶面间距，则:10020 2 0(1)sincos[(90)]R =R-D=Rcos[(90)]y zzddEEEdddEvd100zddd这样就可以求出在z方向上的应力 σz100y zzddEEEd对于二维应力， 则还需在正 X 射线束背射照相之后， 采用斜射 X射线束背射照相法 (见图 2.4)，即 X 射线束以与试样表面成班ψ0的角度照射到试样表面，此时，按图2.2，有: 200ddd式中，d0及 d2分别为斜射 X 射线束方向的晶面族 (与正 X 射线照相所得衍射线环同一指数)受力作用前后的晶面间距，而σ?，等于 : 21 2 1(1)sinddEvd式中， d1是正 X 射线束方向的晶面族受应力作用后的晶面间距。

可 见 ， 采 用两 次 照 相法 ， 精 确 测 定 出d1和 d2， 即 可 按21 2 1(1)sinddEvd式计算出 σ?。