一种短波长特征X射线内部残余应力无损测试方法与流程

本发明涉及x射线应力测试技术领域，特别是涉及一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法。

背景技术：

短波长特征x射线衍射技术利用x射线管作为辐射源，能够无损检测材料工件内部残余应力、织构和物相等。相比于中子衍射技术和高能同步辐射的短波长x射线衍射技术，应用短波长特征x射线衍射技术的成本更低、维护费用少。

短波长特征x射线衍射技术是采用重金属靶x射线管发出的强穿透性特征x射线，如wkα、aukα、agkα、ukα、wkβ等，无损测量衍射仪圆的圆心处物质的衍射谱，进而计算出样品的应力等。但是在现有技术中，存在衍射强度易受衍射角的影响、样品根部应力受限于衍射几何难以测量等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试新方法，而现有测试技术改变ψ角时，样品旋转和探测器旋转在同一个平面内，存在衍射强度易受衍射角的影响、样品根部应力难以测量等缺点。

为解决上述技术问题，本发明在假定样品距表面一定距离的y方向的应力为0mpa的基础上，提供一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法，包括：

入射x射线与衍射x射线分别位于样品的两侧，形成透射式的光路。

将待测试样品固定于试样架上，以通过所述试样架将所述待测试样品置于射线源的出射方向与欧拉环转动轴线的交点；所述试样架与所述欧拉环连接，所述欧拉环带动所述试样架绕所述欧拉环转动轴线转动；

转动欧拉环，带动试样架转动至预设ψ角；

当试样架与所述欧拉环相对固定时，开启所述射线源发射短波长特征x射线照射所述待测试样品，并通过转动测角仪带动探测器绕所述衍射仪圆圆心转动接收衍射x射线，以获取衍射谱；所述探测器与所述射线源位于同一水平面，所述探测器沿所述水平面绕所述测角仪圆心所在的竖直轴线转动，入射准直器的射线出射方向、接收准直器的射线入射方向、欧拉环转动轴线、测角仪转动轴线相交于一点；

在获取所述衍射谱之后，判断所述试样架当前的ψ角是否为最终ψ角；若否，则将所述预设ψ角更新为下一预设ψ角，并执行所述转动欧拉环，带动试样架至预设ψ角，至开启所述射线源发射特征x射线照射所述待测试样品，并转动测角仪带动探测器转动接收衍射x射线，以获取衍射谱的步骤；

根据所述衍射谱定峰结果和所述ψ角计算所述待测试样品的残余应力。

可选的，所述射线源包括射线发生装置和入射准直器，所述射线发生装置的出射口指向所述入射准直器，所述入射准直器的出射口指向所述欧拉环的转动轴线；所述探测器包括射线接收装置和接收准直器，所述接收准直器的接收口指向所述射线源的出射方向与所述欧拉环转动轴线的交点，所述射线接收装置的接收口指向所述接收准直器的出射口。

可选的，所述入射准直器的通光宽度的取值范围为10μm至200μm，包括端点值；所述接收准直器的通光宽度的取值范围为10μm至200μm，包括端点值。

可选的，所述射线源的出射方向指向所述入射准直器的射线出射方向、接收准直器的射线入射方向、欧拉环转动轴线、测角仪转动轴线的交点；

可选的，所述当试样架与所述欧拉环相对固定时，开启所述射线源发射短波长特征x射线照射所述待测试样品，并转动测角仪带动所述探测器绕所述测角仪圆心转动接收衍射x射线，以测量衍射角包括：

当试样架与所述欧拉环相对固定时，开启所述射线源发射短波长特征x射线照射所述待测试样品，转动测角仪带动所述探测器转动接收衍射x射线，并通过测角仪测量衍射角，获取衍射谱；所述测角仪与所述探测器通过探测器支架固定连接。

可选的，所述转动欧拉环，带动试样架转动至预设位置，以形成预设ψ角包括：

转动欧拉环，通过定位部将试样架置于欧拉环的预设位置，以形成预设ψ角；所述定位部与所述试样架连接。

所述根据所述衍射谱定峰结果和所述ψ角计算所述待测试样品的残余应力包括：

根据所述衍射谱定峰结果和所述ψ角计算所述待测试样品在所述测试部位的残余应力；

在根据所述衍射谱定峰结果和所述ψ角计算所述待测试样品的残余应力之后，还包括：

判断所述待测试样品当前测量应力的测试部位是否为最终测试部位；若否，则将所述预设测试部位更新为下一预设测试部位，至根据所述衍射谱定峰结果和所述ψ角计算所述待测试样品在所述预设测试部位的残余应力的步骤；

根据多个所述残余应力数据绘制所述待测试样品的残余应力分布曲线。

本发明所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试新方法，x射线源和探测器分布在样品的两侧，光路为透射式，在测量时，会通过欧拉环转动带动试样转动以改变ψ角，从而通过短波长特征x射线衍射透射式侧倾法测试分析样品的内部残余应力，测试过程中试样架转动平面与探测器转动平面相互垂直。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试装置的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的残余应力测试方法几何关系示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法的流程图；

图5为fe(110)衍射晶面得到的2θhkl-sin²ψhkl示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种具体的短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法的流程图；

图7为测试时衍射体积位置示意图；

图8为马氏体钢表面滚压试样残余应力分布图。

图中：1.射线源、11.射线发生装置、12.入射准直器、2.欧拉环、3.探测器、31.射线接收装置、32.接收准直器、4.试样架。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法。在现有技术中，需要改变ψ角以测量待测试样品的应力，目前的技术中改变ψ角时，样品旋转和探测器旋转在同一个平面内，存在部分样品难以测试等缺点。

本发明所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法，x射线源和探测器分布在样品的两侧，光路为透射式，在测量时，会通过欧拉环转动带动试样转动以改变ψ角，从而基于短波长特征x射线衍射透射式侧倾法计算测试样品的残余应力，测试时ψ角转动方向所在平面与探测器转动方向所在平面相互垂直。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图2以及图3，图1为本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试装置的结构示意图；图2为图1的俯视结构示意图；图3为本发明实施例所提供的短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法几何关系示意图。

在本发明实施例中，将先主要介绍短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法中所应用的测试装置的结构，在下述发明实施例中再主要介绍具体的测试方法。在本发明中，下述测试方法需要基于本发明所提供的测试装置实现。

参见图1以及图2，在本发明实施例中，短波长特征x射线内部残余应力无损测试装置包括射线源1、欧拉环2、探测器3、试样架4和测角仪5；所述试样架4与所述欧拉环2连接，所述欧拉环2可以带动所述试样架4绕所述欧拉环2转动轴线转动；所述射线源1的出射方向指向所述欧拉环2的转动轴线，所述探测器3与所述射线源1位于同一水平面，所述探测器3沿所述水平面绕所述测角仪5的转动轴线转动；射线源1的出射方向、欧拉环2转动轴线、测角仪5转动轴线三者相交于一点。上述试样架4用于固定待测试样品。有关试样架4的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。具体的，上述试样架4与欧拉环2连接。欧拉环2即一具有圆弧或整圆结构的零件。在本发明实施例中，试样架4与欧拉环2连接，此时欧拉环2可以带动试样架4移动，以绕欧拉环转动轴线转动。可以理解的是，在本发明实施例中，检测的残余应力方向位于转动形成的ψ平面内。

还需要说明的是，上述欧拉环2的具体转动角度范围在本发明实施例中不做具体限定，上述欧拉环2转动角度范围可以如图1中所示从-45°至+45°，也可以是-180°至+180°，或者是其他角度，包括非对称的角度等等均可，在本发明实施例中不做具体限定。

上述射线源1用于发射特征x射线，该射线源1的出射方向需要指向欧拉环2的转动轴线与测角仪5转动轴线的交点处，以便在使用过程中短波长特征x射线可以照射至固定于试样架4的待测试样品的特定测试部位，保证该部位不会随着角度、位移而发生改变，有关射线源1的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。需要说明的是，上述试样架4在固定有待测试样品之后，需要保证射线源1的出射方向与欧拉环2转动轴线的交点位于待测试样品的内部。

上述探测器3需要与射线源1位于同一水平面，且探测器3需要沿该水平面绕测角仪转动轴线转动，以保证探测器3可以接收到衍射x射线，以便于完成衍射谱测试。有关探测器3的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。需要说明的是，在使用过程中探测器3的接收口需要指向欧拉环2转动轴线与测角仪5转动轴线的交点，以使得待测试部位在测试转动过程中保持不变。需要说明的是，上述入射准直器12的出射方向与接收准直器32的入射方向交点所处位置即衍射体积所处位置，在使用过程中待测试样品需要充满该衍射体积。具体的，在本发明实施例中入射准直器12的射线出射方向、接收准直器32的射线入射方向、欧拉环2转动轴线、测角仪5转动轴线相交于一点，以保证可以实现对待测试样品的精确测量。

参见图3，还需要说明的是，在本发明实施例中需要具体应用基于短波长特征x射线衍射透射式侧倾法进行测试分析待测试样品内部的残余应力。需要说明的是，本发明实施例所提供的测试方法相比于现有技术中的侧倾法，其光路并不相同，且由于本发明实施例中所使用的光线为短波长特征x射线，其具体可以透射至样品内部，实现对样品内部应力的测试。在本发明实施例中，待测试样品表面法线与其衍射晶面法线之间所形成的ψ角所在平面和衍射角2θ所在平面互相垂直。通过转动欧拉环2带动试样架4来转动待测试样品，以改变ψ角的条件下，可以测得不同ψ角下的衍射谱，通过分析得到衍射峰值，进行2θ-sin²ψ拟合，可以计算得到残余应力；该方法可以进一步通过移动待测试样品，实现待测试样品内部的残余应力测试，满足表面热处理、滚压、喷丸等表面加工的残余应力测试需求。

具体的，在本发明实施例中，所述射线源1包括射线发生装置11和入射准直器12，所述射线发生装置11的出射口指向所述入射准直器12，所述入射准直器12的出射口指向所述衍射体积中心。

上述射线发生装置11具体用于在工作时产生特征x射线，而该特征x射线会先通过入射准直器12进行准直，然后照射至待测试样品。有关射线发生装置11和入射准直器12的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

在本发明实施例中，所述探测器3包括射线接收装置31和接收准直器32，所述接收准直器32的接收口指向衍射体积中心，所述射线接收装置31的接收口指向所述接收准直器32的出射口。

上述射线接收装置31具体用于接收衍射x射线，通常可以将接收的衍射x射线转换成电信号以便进行分析。上述衍射x射线具体会先经过接收准直器32进行准直，然后照射至射线接收装置31以进行分析和转换。有关射线接收装置31和接收准直器32的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

具体的，在本发明实施例中，所述入射准直器12的通光宽度的取值范围为10μm至200μm，包括端点值；所述接收准直器32的通光宽度的取值范围为10μm至200μm，包括端点值。将入射准直器12的通光宽度以及接收准直器32的通光宽度限制在上述范围内，可以保证较高的测试精度。当然，在本发明实施例中上述入射准直器12的通光宽度以及接收准直器32的通光宽度还可以有其他取值，在本发明实施例中不做具体限定。

具体的，本发明实施例所提供的短波长特征x射线残余应力测试装置还可以包括测角仪5，所述测角仪5与所述探测器3固定连接。在工作时，测角仪5会带动探测器3跟随测角仪5转动，以获取不同角度的下的衍射强度，获取衍射谱。有关测角仪5具体的结构和工作原理可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

具体的，在本发明实施例中，短波长特征x射线残余应力测试装置还可以包括与所述试样架4连接的定位部，所述定位部用于将所述试样架4固定于所述欧拉环2的预设位置。由于在具体使用过程中，通常需要先将试样架4固定于欧拉环2的预设位置以形成预设的ψ角，之后控制测角仪转动来测量衍射角2θ。为了便于ψ角的稳定，在本发明实施例中需要设置至少与试样架4连接的定位部，该定位部用于将试样架4固定于欧拉环2的预设位置。有关定位部具体的结构可以根据实际情况自行设置，例如卡扣、螺栓固定、涡轮蜗杆固定等均可，在本发明实施例中不做具体限定，该定位部只要能将试样架4固定于欧拉环2即可。

下面对本发明所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法进行介绍，下文描述的测试方法与上文描述的短波长特征x射线残余应力测试装置的结构可以相互对应参照。

请参考图4以及图5，图4为本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法的流程图；图5为fe(110)衍射晶面得到的2θ-sin²ψ示意图。

参见图4，在本发明实施例中，短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法包括：

s101：将待测试样品钢固定于试样架上，以通过试样架将待测试样品钢被测试部位置于衍射体积中心。

在本步骤中，会将待测试样品固定于试样架上，该试样架会将待测试样品的待测试部位置于装置的衍射体积中心，相应的本步骤通常具体为：将待测试样品固定于试样架上，以通过所述试样架将所述待测试样品置于所述衍射体积中心。

s102：转动欧拉环，带动试样架转动至预设ψ角。

在本步骤中，会将试样架固定于欧拉环的样品架上，以实现试样架带动待测试样品绕欧拉环转动轴线转动。在转动待测试样品的过程中，会引起待测试样品表面法线与探测器对应的衍射晶面法线之间夹角的变化，该夹角即ψ角，从而形成预设的ψ角变化。

具体的，若上述试样架连接有固定部，则本步骤通常具体为：通过定位部将试样架固定于欧拉环的预设位置，以形成预设ψ角。有关固定部的具体结构可以参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。

s103：当试样架与欧拉环相对固定时，开启射线源发射短波长特征x射线照射待测试样品，并通过转动测角仪带动探测器绕衍射仪圆圆心转动接收衍射x射线，以获取衍射谱。

在本发明实施例中，所述探测器与所述射线源位于同一水平面，所述探测器沿所述水平面绕所述测角仪圆心处轴线转动。有关探测器的具体结构可以参考现有技术，有关探测器具体转动方式已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

在本步骤中，会开启射线源发射短波长特征x射线照射待测试样品，同时会转动测角仪带动探测器转动，以接收衍射x射线。在转动过程中，探测器可以扫描得到衍射谱，根据衍射谱可以得到衍射角2θ。

s104：在获取衍射谱之后，判断当前的ψ角是否为最终ψ角。

在本步骤中，在测量得到一个ψ角所对应的衍射谱之后，会判断当前测量的ψ角是否为最终的ψ角。若是，则说明全部数据已经测量完毕，可以直接执行s106，对待测试样品的残余应力进行计算；若否，则意味着测量没有完成，需要执行下述s105，将试样的预设ψ角更新为下一预设ψ角，并循环至上述s102，以改变ψ角，并在新的ψ角下测量衍射谱。

s105：将预设ψ角更新为下一预设ψ角。

在本步骤中，会对预设位置进行更新，并循环至上述s102，以在新的ψ角下测量衍射角。有关预设位置的具体数值可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。在本发明实施例中，通常需要改变ψ角三至六次，并测量相应的衍射角，以完成对待测试样品的测量。

s106：根据衍射谱定峰结果2θ和ψ角计算待测试样品的残余应力。

在本步骤中，首先会根据衍射谱定峰结果确定衍射角2θ，之后会根据衍射角2θ以及ψ角，具体通过拟合2θkl-sin²ψ值，以得到斜率m；之后会根据公式σ＝k×m计算残余应力，其中k为应力常数，可以由衍射角度、弹性模量和泊松比计算得到。以马氏体钢表面滚压试样为例，其弹性模量e＝211gpa，泊松比υ＝0.33。

参见图6，图6为在本步骤中拟合2θ-sin²ψ值时所得到的2θ-sin²ψ示意图，图6具体为fe(110)衍射晶面得到的2θ-sin²ψ示意图，根据该图6可以计算得到待测试样品马氏体钢的内部残余应力。

本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法，在测量时，会通过转动欧拉环带动试样架转动以改变ψ角，从而基于短波长特征x射线衍射透射式侧倾法计算测试样品的残余应力，测试时试样架转动方向所在平面与探测器转动方向所在平面相互垂直。

有关本发明所提供的一种短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图6，图7以及图8，图6为本发明实施例所提供的一种具体的短波长特征x射线内部残余应力无损测试方法的流程图；图7为测试时衍射体积位置示意图；图8为马氏体钢表面滚压试样残余应力分布图。

本实施例以马氏体钢滚压的内部残余应力无损检测为例进行阐述，通过测试fe(110)衍射晶面不同ψ角下的衍射谱，计算内部残余应力，参见图6，在本发明实施例中，马氏体钢滚压样品的短波长特征x射线内部残余应力无损测试包括：

s201：将马氏体钢滚压样品固定于试样架上，以通过试样架将马氏体钢滚压样品的预设测试部位置于衍射体积中心。

本步骤与上述发明实施例中s101大体相同，在本步骤中固定待测试样品时，具体会通过移动样品使样品的待测试部位位于衍射体积中心，以测量待测试样品的待测试部位的残余应力。

s202：转动欧拉环，带动试样架转动至预设位置，以形成第一个预设ψ角，ψhkl＝0°。

s203：当试样架与欧拉环相对固定时，开启射线源发射短波长特征x射线照射待测试样品，并移动探测器绕衍射仪圆圆心转动接收衍射的x射线，以获取ψhkl＝0°条件下的衍射谱。

s204：在获取衍射谱之后，判断马氏体钢滚压样品当前的ψ角是否为最终ψ角。

s205：将ψ角更新为下一预设ψ角。

本次测试共测试ψ＝-45°、ψ＝-30°、ψ＝-15°、ψ＝0°、ψ＝15°、ψ＝30°、ψ＝45°，并得到相应的衍射谱。

上述s202至s205与上述发明实施例中s102至s105基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。

s206：根据衍射谱定峰结果2θ1、2θ2、2θ3、2θ4、2θ5、2θ6、2θ7和相应的ψ角拟合曲线，获得2θ-sin²ψ的斜率m，根据弹性模量e和泊松比υ计算马氏体钢滚压样品被测试部位的残余应力。

本步骤与上述发明实施例中s106基本一致，在本步骤中计算出的残余应力具体对应于马氏体钢滚压样品中不同的测试部位。

s207：判断马氏体钢滚压样品当前测量应力的测试部位是否为最终测试部位。

在本步骤中，在测量完成马氏体钢滚压样品中一个测试部位的残余应力之后，会判断当前测量的测试部位是否为最终测试部位。若是，则说明全部数据已经测量完毕，可以直接执行s209，对马氏体钢滚压样品的残余应力分布曲线进行绘制；若否，则意味着测量没有完成，需要执行下述s208，移动另一测试部位至衍射体积中心，并循环至上述s201，以改变马氏体钢滚压样品被测量的深度，并测量新的测试部位的残余应力。

s208：将测试部位更新为下一预设测试部位。

在本步骤中，会对测试部位进行更新，并循坏至上述s201，以测量马氏体钢滚压样品中其他测试部位的残余应力，从而得到多组残余应力。有关预设测试部位的具体数量和分布可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。

参见图7，在本发明实施例中，会在马氏体钢滚压样品的深度方向上选取多个测试部位测量其残余应力，本实例共测试距表面0.1mm-1mm、间隔0.1mm的10个点的内部残余应力，从而得到马氏体钢滚压样品的残余应力沿深度分布，以便对马氏体钢滚压样品的性能进行描述。

s209：根据多个残余应力数据绘制待测试样品的残余应力分布曲线。

在本步骤中，会根据多组残余应力绘制待测试样品的残余应力分布曲线，以对待测试样品的残余应力分布进行描述。参见图8，图8具体为马氏体钢表面滚压试样残余应力分布图，通过上述步骤可以得到与图8相类似的待测试样品残余应力分布图，从而准确描述待测试样品的性能。

本发明实施例所提供的一种短波长特征x射线你内部残余应力无损测试方法，具体可以测试多个部位的内部残余应力，比如可实现沿待测试样品的深度方向测量多组残余应力，从而绘制出待测试样品的残余应力分布曲线。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种短波长特征x射线残余应力测试方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。