专利名称：中子衍射残余应力测定装置与方法
技术领域：
本发明涉及残余应力检测技术领域，具体涉及一种中子衍射残余应力测定装置与方法。
背景技术：
机械零件或大型构件在制造时，各种工艺过程往往都会给它留下残余应力(外力撤除后在材料内部残留的应力)；另有一些制造工艺，例如喷丸、滚压等，本身就是为了给工件增添适当的残余应力。在制造过程中，适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。所以，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， 在很多行业，残余应力测试已成必需的检验和控制手段。目前残余应力的检测方法中使用最多的是X射线衍射法。X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律Odsine =ηλ，其中d为晶面间距，θ为衍射半角，η为衍射级数，λ为所用靶的波长)，把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征为晶面间距的相对变化。当材料中有应力σ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 θ也会相应改变。因此有可能通过测量衍射角2 θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力ο，X射线法已经很成熟，它的主要特点是1)属于物理方法，不改变试样的原始应力状态；幻理论严谨，方法成熟；幻测定的是表面应力，对材料的表层状态比较敏感，须对测试点作适当的表面处理；4)可以借助电解抛光等手段测定应力沿层深的分布。用于残余应力测定的Cr、Fe、Co靶X射线管发出的标识X射线，波长较长，在铜或钢铁材料中的穿透深度仅为10微米左右。而同步辐射装置可以提供较短的波长，但其对铜或钢铁材料的穿透深度也仅在250微米范围内。所以，X射线和同步辐射测定的只是试样表面或次表面某点的残余应力，若要测残余应力沿层深的分布，必须对试样或工件进行破坏性的多次剥层和多次测定。剥层会引起残余应力释放，形状简单的试样可以按一定的公式进行残余应力剥层校正，但形状复杂的工件则无法进行这种校正。另外，剥层测定工作量大， 测量精度差，是破坏性的测量方法。
发明内容
针对现有技术中X射线和同步辐射残余应力测定装置和方法只能无损测定表面残余应力的缺陷，本发明的目的在于提供一种中子衍射残余应力测定装置与方法，通过该装置与方法，实现被测试件的三维、无损和深度应力的测试。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下中子衍射残余应力测定装置，包括
水平孔道用于引出反应堆的白光中子源；准直器用于将反应堆水平孔道引出的白光中子源转变成平行中子束流；光阑用于限制第一准直器射出的中子束流的数量；单色器用于将通过光阑后的中子束流单色化；入射狭缝用于限制单色化后的中子束流的高度和宽度；样品台用于放置待测样品；出射狭缝用于限制与样品作用发生衍射后射出的中子束流的宽度；中子探测器用于记录发生衍射后由出射狭缝射出的中子的数目；中子捕集器用于捕集测定过程中穿透待测样品的直接中子束；其中，单色器放置在可旋转屏蔽大鼓内部的空腔中；入射狭缝连接在屏蔽大鼓的可旋转部分；出射狭缝连接在中子探测器支架上；样品台围绕单色器中心转动，中子探测器围绕样品台的旋转中心转动。进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，该测定装置还包括用来记录单色器发出的单色中子数目的第一监视器、用来调整入射狭缝的位置和样品边界扫描定位的第二监视器、用来标定样品台的旋转中心和样品定位的机器视觉定位系统、用来检查样品放置的位置和确定中子束流高度的经纬仪和大鼓驱动电机。进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述可旋转屏蔽大鼓包括用于改变单色器起飞角的活动扇形屏蔽块；单色器起飞角的范围为41° 109°。进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，入射狭缝和出射狭缝是利用步进电机驱动的，狭缝开口尺寸由全部闭合到IOmmX 40mm。更进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述视觉定位系统为CCD相机。基于上述中子衍射残余应力测定装置的中子衍射残余应力测定方法，包括以下步骤(Si)校准中子衍射残余应力测定装置调整入射狭缝和出射狭缝的位置，使入射狭缝的中心位置，与单色器中子束流的中心和样品台旋转中心的连线重合，使出射狭缝的中心位置，与样品台旋转中心和中子探测器中心的连线重合；(S2)测量无应力标准样品的衍射角；(S3)测量待测样品的衍射角；测量的具体步骤如下(S3-1)将待测样品固定在样品台上，使测量点位于入射狭缝和出射狭缝确定的待测样品的体积中心；(S3-2)沿设定的扫描路径，依次测量待测样品纵向、横向和法向三个方向上的所有测量点，得到各个测量点对应的衍射角；纵向是指平行于激光扫描路径的方向，横向是指晶体面内垂直于激光扫描路径的方向，法向是指垂直于晶体表面的方向；(S4)根据无应力标准样品的衍射角值与各个测量点的衍射角，计算得到每个测量点三个方向的应变值和应变误差，根据应变值与应变误差计算得到相应的应力值与应力值误差。进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定方法，步骤中，计算测量点三个方向应变值的公式为
权利要求
1.中子衍射残余应力测定装置，其特征在于包括 水平孔道用于引出反应堆的白光中子源；准直器(1)用于将反应堆水平孔道引出的白光中子源转变成平行中子束流； 光阑(2)用于限制第一准直器射出的中子束流的数量； 单色器(3)用于将通过光阑后的中子束流单色化； 入射狭缝(6)用于限制单色化后的中子束流的高度和宽度； 样品台(4)用于放置待测样品；出射狭缝(7)用于限制与样品作用发生衍射后射出的中子束流的宽度； 中子探测器(5)用于记录发生衍射后由出射狭缝射出的中子的数目； 中子捕集器(1 用于捕集测定过程中穿透待测样品的直接中子束； 其中，单色器(3)放置在可旋转屏蔽大鼓(13)内部的空腔中；入射狭缝(6)连接在屏蔽大鼓(1 的可旋转部分；出射狭缝(7)连接在中子探测器( 支架上；样品台(4)围绕单色器(3)中心转动，中子探测器(5)围绕样品台(4)的旋转中心转动。
2.如权利要求1所述的中子衍射残余应力测定装置，其特征在于该测定装置还包括用来记录单色器发出的单色中子数目的第一监视器(8)、用来调整入射狭缝的位置和样品边界扫描定位的第二监视器(9)、用来标定样品台的旋转中心和样品定位的机器视觉定位系统(10)、用来检查样品放置的位置和确定中子束流高度的经纬仪(11)和大鼓驱动电机 (16)。
3.如权利要求1所述的中子衍射残余应力测定装置，其特征在于所述屏蔽大鼓 (13)包括用于改变单色器起飞角的活动扇形屏蔽块(14)；单色器起飞角的范围为41° 109°。
4.如权利要求1所述的中子衍射残余应力测定装置，其特征在于入射狭缝(6)和出射狭缝(7)是利用步进电机驱动的，狭缝开口尺寸由全部闭合到IOmmX40mm。
5.如权利要求2所述的中子衍射残余应力测定装置，其特征在于所述视觉定位系统为CXD相机。
6.中子衍射残余应力测定方法，包括以下步骤(51)校准中子衍射残余应力测定装置调整入射狭缝和出射狭缝的位置，使入射狭缝的中心位置，与单色器中子束流的中心和样品台旋转中心的连线重合，使出射狭缝的中心位置，与样品台旋转中心和中子探测器中心的连线重合；(52)测量无应力标准样品的衍射角；(53)测量待测样品的衍射角；测量的具体步骤如下(S3-1)将待测样品固定在样品台上，使测量点位于入射狭缝和出射狭缝确定的待测样品的体积中心；(S3-2)沿设定的扫描路径，依次测量待测样品纵向、横向和法向三个方向上的所有测量点，得到各个测量点对应的衍射角；纵向是指平行于激光扫描路径的方向，横向是指晶体面内垂直于激光扫描路径的方向，法向是指垂直于晶体表面的方向；(54)根据无应力标准样品的衍射角值与各个测量点的衍射角，计算得到每个测量点三个方向的应变值和应变误差，根据应变值与应变误差计算得到相应的应力值与应力值误差。
7.如权利要求6所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于步骤(Si)中所述的样品台旋转中心是通过如下方式确定的在样品台的转台中心放置一细针，通过细针在相机中成像的位置来判断其是否处于转台中心轴上，具体步骤为1)目测样品台的转台中心轴位置，放置细针；2)调整相机的位置，使细针在相机镜头的中心位置成像；3)分别记录转台位于0°和180°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；4)查看转台位于0°和180°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于转台中心轴的垂直于中子束流的平移轴方向直线上；若否则移动细针，直到转台位于 0°和180°时细针两边缘位置的平均值相同；5)分别记录转台位于+90°和-90°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；6)查看转台位于+90°和-90°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于转台中心轴的平行于中子束流的平移轴方向直线上，若否则移动细针，直到转台位于+90°和-90°时细针两边缘位置的平均值相同；最终使细针位于转台的转动中心轴上。
8.如权利要求6所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于步骤(S4)中，计算测量点三个方向应变值的公式为Ad Sin^0 , Λ Λ Λε =——=---1 = -A0cot6 od0 sin θ其中，ε表示应变，Cltl表示无应力标准样品的晶面间距、Ad表示发生应变后待测样品晶面间距的变化值，θ ^表示无应力标准样品的布拉格衍射峰的峰位，θ表示待测样品的布拉格衍射峰的峰位，Δ θ = θ-θ0；根据应变值计算应力值的公式为σ"=(1+4—2ν)[(ι_κ+￡』 =(i+vDK+v(、+g』 =(i+U-κ其中，σχχ、0yy、σζζ分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力，εχχ、￡yy、εζζ分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变，ν为泊松比，E为弹性模量；应变的误差与应力误差的计算公式为δ ex = ctg0oX [(δ θχ)2+(δ θ 0)2]"2δ Ey = Ctge0X [(δ θ/+(δ θ 0)2]"2
9.如权利要求6或8所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于步骤(S3-2) 中，对待测样品三个方向上的测量点的测量，包括每一个方向上同一测量点的不同深度的测量，深度是以固定步长为单位进行增加的。
10.如权利要求9所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于所述步长是根据待测样品的应力梯度确定的，步长的范围为0. Olmm 2mm。
全文摘要
本发明公开了一种中子衍射残余应力测定装置与方法，该装置使用反应堆中子源，经过单色器单色化后，得到所需的某一波长的单色中子束流，并利用该中子束流进行残余应力的测定。由于中子不带电荷，和物质相互作用时与核外电子几乎没有作用，不需克服电荷库仑力障碍，因而能量较低的中子也能进入到原子内；大多数材料对中子吸收也很低，所以入射中子束的穿透深度较深。同时通过准直器和狭缝准直、限定的中子束流还具有很高的空间分辨率，通过三个方向互相垂直的平移与绕测试中心点转动来实现被测试件的三维、无损和深度的应力测试工作，克服了X射线和同步辐射残余应力测定装置只能无损测定晶体材料表面及近表面残余应力的不足。
文档编号G01N23/20GK102435623SQ201110276888
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者余周香, 刘晓龙, 刘荣灯, 刘蕴韬, 吴立齐, 孙凯, 孙硕, 张莉, 李天富, 李峻宏, 李眉娟, 李际周, 梁峰, 武梅梅, 焦学胜, 王洪立, 祖勇, 肖红文, 胡瑞, 陈东风, 陈娜, 韩文泽, 韩松柏, 高建波 申请人:中国原子能科学研究院