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1、 邯郸市爱斯特应力技术有限公司 X-350A型X射线应力仪测定仪功能结构描述用途概述本仪器依据中华人民共和国标准 GB7704-87X射线应力测定方法，能够在短时间内无损地测定材料表面指定点、指定方向的残余应力（用“ + ”、“ ”号分别表示拉、压应力）, 并具备测定主应力大小和方向的功能。在构件承载的情况下测得的是残余应力与载荷应力之代数和,即实际存在的应力。适用于各种金属材料经过各种工艺过程（如铸造、锻压、焊接、磨削、车削、喷丸、热处理及各种表面热处理）制成的构件。本系统因功能齐全而适于实验室的试验研究工作，又因轻便灵活而适于现场测量。各种机械构件在制造时往往会产生残余应力。在制造过程中,
2、适当的残余应力可能成为零件强化的因素,不适当的残余应力则可能导致变形和开裂等工艺缺陷; 在加工以后,残余应力将影响构件的静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀能力及形状尺寸的稳定性。 一个构件残余应力状态如何，是设计者、制造者和使用者共同关心的问题。无损地测定残余应力是改进强度设计，提高工艺效果，检验产品质量和进行设备安全分析的必要手段。 为了说明残余应力测试技术的应用场合，于此列举如下事例： F 在现代机械工程中，由于焊接技术的进展，使许多巨大金属机构的制造成为可能，但随之而来的问题就包括如何测定并进而控制其残余应力的大小和分布。这是一个绝对不可掉以轻心的问题，它关系到工程的质量、寿命和安全。实际上
3、，对于诸如球罐、塔器、轧辊、铁路、桥梁船舶、海上石油平台、水利水电工程中的大闸门和压力钢管等等大型构船舶、海上石油平台、水利水电工程中的大闸门和压力钢管等等大型构件，以及航空、航天、核工业的有关设备，各有关部门都已把测定和控制残余应力的问题提到重要议事日程上来。 T 为了消除对构件带来不良影响的残余应力，传统的热时效方法还在普遍采用，而后来兴起的振动时效技术也正逐步形成推广应用的热潮。显然，检测构件时效前后，特别是振动时效前后各部位残余应力的变化，对于确定和正确掌握时效工艺是十分必要的。 为了提高某些零件的疲痨强度，材料强度专家们提出采用喷丸、滚压、表面热处理以及表面化学热处理等办法。就其强化
4、机理而言，这里就包括 一个至关重要的因素残余压应力的作用。因此，无损地测定零件表面残余应力对于确定和正确掌握强化工艺也是十分必要的。 A 机械设备的失效分析表明，应力腐蚀是导致零部件损伤和断裂事故的主要原因之一。其中，因焊接或其它工艺产生的残余拉应力所引起的事故占大多数。因此对于在腐蚀介质中工作的构件，残余应力是正或是负，以及绝对值的大小肯定是不容忽视的参数。 H 许多零件经过淬火、回火、磨削之后发现了裂纹。为了判定裂纹产生的主要原因，就必须分别研究热处理应力和磨削应力。l为了保证零部件形状尺寸的准确性和稳定性，也必须重视它的残余应力现状和变化趋势。凡要求精密之处，测定关键零部件的残余应力显然
5、是非常重要的。= 在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟，方法完善，经历了七十余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果。 S X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项附加的功能测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的角、角进行测试,以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。S 采用X-350A45170型测角仪可以测定各种实体工件的织构。测量原理基于X射线衍射理论。 当一束具有一定波长的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2上接收到反射的X射线强度极大
6、值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如左图所示）。X射线的波长、衍射晶面间距d和衍射角2之间遵从著名的布拉格定律： 2d Sinn （n1，2，3） 在已知X射线波长的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2也 会相应改变。因此我们有可能通过测量衍射角2随晶面取向不同而发生的变化来求得应力。测量原理 关于X射线应力测量原理还可以作如下进一步的解释：众所周知，对于晶粒不粗大、无织构的多晶材料来说，在一束X光照射范围内便有许许多多个晶粒， 其中必有许多晶
7、粒，其指定的（h k l）晶面平行于试样表面，晶面法线与表面法线夹角为0；也必有许多晶粒，其（h k l）晶面法线与表面法线成任意的。首先，如图A所示，以试样表面某点(o点)法线为轴，将一束适当波长的X光和探测器（计数管）对称地指向该点O，并同步地相向扫描改变入射角和反射角。根据布拉格定律，可以找到平行于试样表面的（h k l）晶面的衍射峰和对应的衍射角2 。这个由X光束和计数管轴线组成的平面称作扫描平面，衍射晶面的法线必在扫描平面内，并居于X光束和计数管轴线二者角平分线的位置上。让我们记住，此时扫描平面与试样表面垂直，衍射晶面与试样表面平行，0（如图B）。然后，扫描平面以图A中直线OY为轴转
8、过一个角（如图C），同样也可以得到（h k l）晶面的衍射峰和对应的衍射角2 ，这时，衍射晶面法线与试样表面法线夹角为（如图D）。图A 图 B 图 C 图 D 在无应力状态下，对于同一族晶面（h k l）来说，无论它居何方位，即无论角等于何值，晶面间距d均相等；根据布拉格定律，相应的衍射角2也应相等。当有应力存在时，譬如沿图中OX方向存在拉应力，则平行于表面（即0）的（h k l）晶面，其间距d会因泊松比的关系而缩小（见图B）；随着角的增大，晶面间距d会因拉应力的作用而增大（见图D）。于是相应的衍射角2也将随之改变按照布拉格定律，d 变小，则2变大；d 变大，则2变小。显然2随角变化的急缓程度
9、与应力大小密切相关。对于各向同性的多晶材料，在平面应力状况下，依据布拉格定律和弹性理论可以导出，应力值正比于2随Sin 变化的斜率M，即 KM 2 M Sin2 式中K为应力常数， E K = Ctg0 2（1+） 180式中E为杨氏模量，为泊松比，0为无应力状态的布拉格角。对于指定材料，K值可以从资料中查出或通过实验求出。这样，测定应力的实质问题就变成了选定若干角测定对应的衍射角2。 X-350A X射线应力测定仪可以自动完成测量并给出最终结果和某些有价值的物理参数。 仪器结构本仪器主机由以下五部分组成：PC微机、主机箱、高压油箱、测角仪及台式支架。 PC 微机的最低配置应能支持Window
10、s98/2000/me/xp。 主机箱内有高压电源控制系统、接口线路和单片机系统、步进电机驱动器、计数放大器，以及1500V、24V、5V电源。 高压油箱输出15kV30kV电压，通过高压电揽供给测角仪上的 X 射线管。 测角仪是测量执行机构。仪器的核心部件 X 射线管和 X 射线探测器就装在测角仪上。 本仪器的测角仪为-扫描测角仪。这是本研究所的专利技术。X 射线管和 X 射线探测器同步等量相背扫描，二者各前进一个 ，则衍射角改变 2，故名-扫描。在整个扫描过程中，衍射晶面法线保持不动，准确体现固定法的几何要求。 将上述-扫描平面设置在与平面相垂直的位置上，衍射晶面法线含于-扫描平面之中，且
11、处在与试样表面垂直的平面里。这样，可以直观地看出，当-扫描平面沿着导轨转动时，该平面与试样表面之夹角就是角衍射晶面与试样表面法线之夹角。这正是侧倾法的几何布置。所谓 测角仪，其实质即在于此。测角仪上采用了圆弧滚动导轨、谐波齿轮等先进机械元件，运动精密而流畅。 本仪器的测角仪有三种型式：1、X-350A型-扫描测角仪，2扫描范围120170；2、X-350A45170型-扫描测角仪 2扫描范围45170；3、X-350AL型同倾非对称测角仪。台式支架用于支承测角仪。它包含 X、Y、Z 三个平移机构，均采用直线滚动导轨。底座和加长脚上装有螺栓支脚。调整螺栓支脚可以保证测角仪的主轴线与测试点法线重合
12、。调整 Z 向平移机构可以校准测角仪至测试点的距离。调整 X、Y 平移机构则是为了对准选定的测试点，便于连续测定应力在工件表面各点的分布。螺栓支脚下端的球头用于连接电控永磁吸盘。立柱可以旋转360，在采用了吸盘之后，旋转立柱可以扩大测试范围。功能特点X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法, 侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性；从另一角度分类又分为固定0法和固定法，后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来，即在侧倾的条件下实施固定法便会产生喜人的新特点吸收因子恒等于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会倾斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况下峰形及强度不随角的改
13、变而变化。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以行家们都知道，侧倾固定法是最理想的测量方法 。然而，迄今国内外尚无以侧倾固定法为主的应力测定仪。所以在我国X射线应力测定领域里普遍采用的都是同倾固定 0法。对于使用多功能仪器者来说，虽然在必要时可以实现固定法和侧倾法，但是由于仪器机构和功能的限制，总会伴随诸多困难和麻烦，更难应用于现场测量。新型 X-350A X射线应力测定仪便是在这种情况下应运而生的。本仪器以其独创性和先进性获得国家专利(ZL 专利号：98244375.7)。、 本仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计，使得在2平面上的X光管和探测器同时等速相对而行,严格满足固定法的几何
14、要素；另外，又使2平面与平面相互独立。这样便保证了本系统以侧倾固定法为主，实现理想的测量方法(必要时还可以转为同倾固定法，如下述)；同时保持结构简洁灵活轻便的特点。2扫描范围：120170，在侧倾法的条件下，测定应力既可利用高衍射角又可利用较低衍射角.这样,除适用于铁素体型钢和铸铁材料之外，还为奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金以及高温合金、硬质合金等材料的应力测定带来方便并可提高测量精度。侧倾固定法另一特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性，特别是对于齿轮的齿根部位。、 备选的X-350AL型同倾非对称测角仪，2扫描范围：140170。采用这种机构有利于解决类似直角焊缝部位的测试问题。、 本仪器-扫描测角仪的衍射几何 为聚焦法。如由图所示。在 X 射线管和 X 射线探测器以-方式沿测角仪
