X射线残余应力测定Word格式文档下载.docx

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第II类及第III类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，这三类应力共存与材料的内部。

因此其X射线衍射谱线会同时发生位移、宽化及强度降低的效应。

A、第I类内应力

材料中第I类内应力属于宏观应力，其作用与平衡范围为宏观尺寸，此范围包含了无数个小晶粒。

在X射线辐照区域内，各小晶粒所承受内应力差别不大，但不同取向晶粒中同族晶面间距则存在一定差异。

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。

上述规律适用于单向应力、平面应力以及三维应力的情况。

B、第II类内应力

第II内应力是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶粒尺寸数量级。

在X射线的辐照区域内，有的晶粒受拉应力，有的则受压应力。

不同取向晶粒中同族晶面间距差异不大。

各晶粒的同族（hkl）晶面具有一系列不同的晶面间距dhkl±

Δd值。

因此，在材料X射线衍射信息中，不同晶粒对应的同族晶面衍射谱线位置将彼此有所偏移。

各晶粒衍射线将合成一个在2θhkl±

Δ2θ范围内的宽化衍射谱线。

材料中第II类内应力（应变）越大，则X射线衍射谱线的宽度越大，据此来测量这类应力（应变）的大小。

必须指出的是，多相材料中的相间应力，从应力的作用与平衡范围上讲，应属于第II类应力的范畴。

然而，不同物相的衍射谱线互不重合，不但造成宽化效应，而且可能导致各物相的衍射谱线发生位移。

因此，其X射线衍射效应与宏观应力相类似，故又称为伪宏观应力，可利用宏观应力测量方法来评定这类应力。

C、第III类内应力

材料中第III类内应力也是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶胞尺寸数量级，是原子之间的相互作用应力，例如晶体缺陷周围的应力场等。

根据衍射强度理论，当X射线照射到理想晶体材料上时，被周期性排列的原子所散射，各散射波的干涉作用，使得空间某方向上的散射波互相叠加，从而观测到很强的衍射线。

在第III类内应力的作用下，由于部分原子偏离其初始的平衡位置，破坏了晶体中原子的周期性排列，造成了各原子X射线散射波周相差的发生改变，散射波叠加值即衍射强度要比理想点阵的小。

这类内应力越大，则各原子偏离其平衡位置的距离越大，材料的X射线衍射强度越低。

由于该问题比较复杂，目前尚没有一种成熟方法，来准确测量材料中的第III类内应力。

二、宏观平面应力测定

1、测定原理

由于X射线穿透深度较浅（约10μm），材料表面应力通常表现为二维应力状态，法线方向的应力（σz 

）为零。

图中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。

根据弹性力学的理论，应变εφψ可表示为

式中E及ν分别是材料的弹性模量及泊松比。

如果X射线沿PO方向入射，则εφψ 

还可表示为垂直于该方向（hkl）晶面间距改变量，根据布拉格方程，这个应变为

式中d0及2θ0分别是材料无应力状态下（hkl）晶面间距及衍射角。

2、测量方法

根据ψ平面与测角仪2θ扫描平面的几何关系，可分为同倾法与侧倾法两种测量方式。

同倾法的衍射几何特点，是ψ平面与测角仪2θ扫描平面重合。

同倾法中设定ψ角的方法有两种，即固定ψ0法和固定ψ法。

A、同倾法

同倾法的衍射几何特点，是ψ平面与测角仪2θ扫描平面重合。

同倾法中设定ψ角的方法有两种，即固定ψ0法和固定ψ法。

同倾固定ψ0法要点是，在每次探测扫描接收反射X射线的过程中，入射角ψ0保持不变，故称之为固定ψ0法。

选择一系列不同的入射线与试样表面法线之夹角ψ0来进行应力测量工作。

根据其几何特点不难看出，此方法的ψ与ψ0之间关系为

同倾固定ψ法的要点是，在每次扫描过程中衍射面法线固定在特定ψ角方向上，即保持ψ不变，故称为固定ψ法。

测量时X光管与探测器等速相向（或相反）而行，每个接收反射X光时刻，相当于固定晶面法线的入射角与反射角相等。

通过选择一系列衍射晶面法线与试样表面法线之间夹角ψ，来进行应力测量工作。

同倾固定ψ法的ψ角设置要受到下列条件限制

B、侧倾法

侧倾法的衍射几何特点是平面与测角仪2θ扫描平面垂直，如图所示。

3、试样要求

为了真实且准确地测量材料中的内应力，必须高度重视被测材料组织结构、表面处理和测点位置设定等，相关注意事项如下。

A、材料组织结构

常规的X射线应力测量，只是对无粗晶和无织构的材料才有效，否则会给测量工作带来一定难度。

对于非理想组织结构的材料，必须采用特殊的方法或手段来进行测试，但某些问题迄今未获得较为圆满的解决。

如果晶粒粗大，各晶面族对应的德拜环则不连续，当探测器横扫过各个衍射环时，所测得衍射强度或大或小，衍射峰强度波动很大，依据这些衍射峰测得的应力值是不准确的。

为使德拜环连续，获得满意的衍射峰形，必须增加参与衍射的晶粒数目。

为此，对粗晶材料一般采用回摆法进行应力测量。

目前的大多数衍射仪或应力仪，都具备回摆法的功能。

材料中织构，主要影响应力测量2θ与sin2ψ的线性关系，影响机制有两种观点：

一种观点认为，2θ与sin2ψ的非线性，是由于在形成织构过程中的不均匀塑性变形所致；

另一观点则认为，这种非线性与材料中各向异性有关，不同方位即ψ角的同族晶面具有不同的应力常数K值，从而影响到2θ与sin2ψ的线性关系。

由于理论认识上的局限，使得织构材料X射线应力测量技术一直未获得重大突破。

目前唯一没有先决条件并具有一定实用意义的方法是，测量高指数的衍射晶面。

选择高指数晶面，增加了所采集晶粒群的晶粒数目，从而增加了平均化的作用，削弱了择优取向的影响。

这种方法的缺点是，对于钢材必须采用波长很短的Mo-Kα线，而且要滤去多余的荧光辐射，所获得的衍射峰强度不高等。

B、表面处理

对于钢材试样，X射线只能穿透微米至十几微米的深度，测量结果实际是这个深度范围的平均应力，试样表面状态对测试结果有直接的影响。

要求试样表面必须光滑，没有污垢、油膜及厚氧化层等。

特别提醒，由于机加工而在材料表面产生的附加应力层最大可达100μm，因此需要对试样表面进行预处理。

预处理的方法，是利用电化学或化学腐蚀等手段，去除表面存在附加应力层的材料。

如果实验目的就是为了测量机加工、喷丸、表面处理等工艺之后的表面应力，则不需要上述预处理过程，必须小心保护待测试样的原始表面，不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。

为测定应力沿层深的分布，可用电解腐蚀的方法进行逐层剥离，然后进行应力测量。

或者先用机械法快速剥层至一定深度，再用电解腐蚀法去除机械附加应力层。

C、测点位置设定

对于一个实际试样，应根据应力分析的要求，结合试样的加工工艺、几何形状、工作状态等综合考虑，确定测点的分布和待测应力的方向。

校准试样位置和方向的原则为：

（a）测点位置应落在测角仪的回转中心上；

（b）待测应力方向应处于平面以内；

（c）测角仪=0o位置的入射光与衍射光之中线应与待测点表面垂直。

4、测量参数

在常规X射线衍射分析中，选择正确的测量参数，目的是获得完整且光滑的衍射谱线。

而对于X射线应力测量，除满足以上要求外，还必须考虑诸如角设置、辐射波长、衍射晶面以及应力常数等因素的影响。

A、ψ角设置

如果被测材料无明显织构，并且衍射效应良好，衍射计数强度较高，在每一个φ角下只设置两个ψ角即可，例如较为典型的0o～45o法，这样在确保一定测量精度的前提下，可以提高测量的速度，节省仪器的使用资源。

一般情况是，在每个φ角下，ψ角设置越多则应力测量精度就越高。

对于多ψ角情况的应力测试，ψ角间隔划分原则是尽量确保各个sin2ψ值为等间隔，例如ψ角可设置为0o、24o、35o及45o，这是一种较为典型的ψ角系列。

B、辐射波长与衍射晶面

为减小测量误差，在应力测试过程中尽可能选择高角衍射，而实现高角衍射的途径则是选择合适辐射波长及衍射晶面。

由于X射线应力常数K与cotθ0值成正比，而待测应力又与应力常数成正比，因此布拉格角θ0越大则K越小，应力的测量误差就越小。

此外，选则高角衍射还可以有效减小仪器的机械调整误差等。

对于特定的辐射波长即靶材类型，结合具体情况综合考虑，选择出合适衍射晶面，尽量使衍射峰出现在高角区。

而对于特定的晶面，波长改变时衍射角也必然变化，通过选择合适波长即靶材可以将该晶面的衍射峰出现在高角区。

此外，辐射波长还影响穿透深度，波长越短则穿透深度越大，参与衍射的晶粒就越多。

对于某些特殊测试对象，有时要使用不同波长的辐射线。

C、应力常数

晶体中普遍存在各向异性，不同晶向具有不同弹性模量，如果利用平均弹性模量来求解X射线应力常数，势必会产生一定误差。

对已知材料进行应力测定时，可通过查表获取待测晶面的应力常数。

对于未知材料，只能通过实验方法测量其应力常数。

5、数据处理方法

采集到良好的原始衍射数据后，还必须经过一定的数据处理及计算，最终才能获得可靠的应力数值。

数据处理包括：

衍射峰形处理、确定衍射峰位、应力计算及误差分析等内容。

目前计算机已十分普及，许多复杂数学计算都变得容易，给数据处理工作带来方便。

A、衍射峰形处理

对原始衍射谱线进行峰形处理，例如扣除背底强度、强度校正和Kα双线分离等，以得到良好的衍射峰形，有利于提高衍射峰的定峰精度。

必须指出，当衍射峰前后背底强度接近时（尤其侧倾测量方式），不必进行强度校正。

当谱线Kα双线完全重合时，即使衍射峰形有些不对称，也不需进行Kα双线分离；

在此情况下，只需扣除衍射背底即可，简化了数据处理过程。

B、定峰方法

应力测量，实质是测定同族晶面不同方位的衍射峰位角，其中定峰方法十分关键。

定峰方法有多种，如半高宽中点法、抛物线法、重心法、高斯曲线法及交相关函数法。

在实际工作中，主要根据衍射谱线具体情况，来选择合适的定峰方法。

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很好，很受用，谢谢！

再请教下测残余应力的样品要多大？

我的是42CrMo的轴杆，如何取样、电解抛光剥层啊？

材料检测技术交流2010-11-2920:

13:

21 

[举报]

测试残余应力的样品大小问题，要根据零件结构是否复杂来说，测试位置一般在零件外表面比较好，如果在零件凹槽内部、L角、R角等等这些位置比较难测试，那么根据你所说的轴杆，测试外表面即可，零件小于1米基本上就可以测试，大于1米也可以采取一些方法来测试；

关于如何取样的问题，要根据你研究的零件位置来说，可以采用电火花线切割方法来取样，这样残余应力损失比较小；

电解抛光是采用电解抛光机，氯化钠饱和溶液作为电解液，进行逐层腐蚀的方法，根据研究要求，腐蚀到所希望的深度。

以上回答不知道能否解释你的问题，如果有问题，也欢迎来电或电子邮件来讨论。

想请教下博主，X射线测定残余应力可以测定电熔锆刚玉砖的内部残余应力吗？

不可以直接测试内部的残余应力，X射线衍射的深度也只有几十个微米，测试内部的应力，应该根据样品的特性选择合适剥层方法或其它手段，来测试内部残余应力。