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1、目录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
2、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d与sin2有较好的线性关系时误差不大，但当试件由于各种原因，d与sin2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sin2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
3、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与直线之斜率求得，所利用的关系为:，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sin2法就是通常所称的常规法(或称同倾
4、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2角、也可选用低2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无关，并且不随2角而变或随2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
5、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
6、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Jam
7、es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的侧倾，2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
8、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EN153
9、05-2008“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”
10、。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作用于该多晶体时，显而易见，与表面平行的HKL晶面(即=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=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，将随角的不同而不同。即是说，随晶粒取向的不同，将从0连续变到90，晶面间距的改变量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的作用下将产生一定的应变，且
11、应力越大，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10m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sin2法。在图2.2确定的坐标体系中，空间任一方向的正应力为:式中，、是对应方向的方向余弦即:同理，任一方向的正应变为：而描述主应力和主应变两者关系的广义Hooke定律为:式中，、分别是材料的弹性模量和泊松比。注意到，故实际测得的应力是图2.2中的，即被测工件(各向同性材料)的表面应力。由Bragg定律2dsin=兄可以得出应变与衍射线角位移的关系，即：式中，d0和0。分别为无应力时晶面(HKL)的
12、面间距和Bragg角;d和分别是有应力时法向位于(、)方向的(HKL)晶面的面间距和Bragg角; 是(、)方向的应变，而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:令，则：式中K1为应力常数;M为2对sin2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照射试样，测出相应的衍射角2，求出2对sin2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
13、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。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:这样就可以求出在z方向上的应力z对于二维应力，则还需在正X射线束背射照相
14、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0的角度照射到试样表面，此时，按图2.2，有: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，等于: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，即可按式计算出 。X射线衍射仪法如图2.5(a)所示，根据多晶衍射仪的设计原理，参与衍射的晶面始终平行于试样表面。因此，当衍射仪在正常状态工作时，试样表面法线和衍射晶面法线平行，此时=0。为了测出不同值时同一HKL面族的2值，在X射线管和探测器位置不变的情况下
15、，让试样表面法线转动角。但此时位于测角仪上的探测器己经不在聚焦圆上，如图2.5(b)所示。因此必须将探测器沿衍射线移动距离D，可以证明：式中，R为探测器移动后离试样表面的距离。测定时，常使=0和=45，即应用固定班法进行宏观残余测定。X射线应力仪法X射线应力仪的核心部分为测角仪，其上装有可绕试样转动的X射线管和探测器。通过改变使X射线管转动，以改变入射线的方向。目前，广泛使用的测角仪有两种，即测角仪和测角仪，其衍射几何分别见图2.6(a)、(b)。(1) 测角仪(常规法)Sin2尹法是常规法中的经典方法，从可以看出，只要测出M即可计算出应力。为此，当以不同的角度入射时，测出相应的2，此时与2共面。用测定的2与sin2作图，两者应有图2.7所示的线性关系。求出直线的斜率M后，乘以已知的应力常数K1，就能求出指定方向的应力。应该注意，角所在的平面与试样表面的交线，就是所测应力的方向。常选角为0、15、30和45，相应测出的2并非刚好位于一条直线上，此时可用最小二乘法进行数据处理。如果在选择角时只取0和45，就得到0- 45法。此时式中，。且K2为正值，故当2为正值时，为正，即为拉应
