一种短波长x射线衍射的板状内部应力定点无损检测方法
【专利摘要】多晶体材料(如铝合金、钢铁等)加工后，在多晶体材料内部产生残余应力，本发明针对织构不强的多晶体板状材料或板状工件，利用短波长特征X射线衍射仪器，提供了一种短波长X射线衍射的板状内部应力定点无损检测方法，直接测量多个Ψ角(45°≤Ψ≤90°)方向的某一(hkl)晶面衍射谱，并基于布拉格原理和广义胡克定律的应力——应变关系，计算得到所测部位的所测方向的应力。采用上述此方法，通过X、Y、Z的平移，就可以测得另一其它部位的应力；通过板状材料或板状工件绕其板面法线的转动，就可以测得另一其它方向的应力。本发明针对织构不强的多晶体板状材料或板状工件，可以测得其内部任一部位、XY平面任一方向的应力。
【专利说明】-种短波长X射线衍射的板状内部应力定点无损检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种利用短波长特征X射线衍射的不需要无应力标样的板状试样内 部应力定点无损检测方法，适用于织构不强的多晶体材料制备的板状材料和工件内部应力 及其分布的无损检测。
【背景技术】
[0002] 多晶体材料（如侣合金、钢铁等）在压力加工、热处理、焊接、铸造等加工后，由于 不均匀的塑性变形，往往在多晶体材料内部产生大的残余应力，在其后的机械加工中，由于 内部残余应力的重新平衡而导致变形，变形程度直接与机械加工前的材料内部残余应力及 其分布密切相关。不仅如此，材料/工件的力学性能亦与其内部残余应力及其分布密切相 关。目前，材料/工件内部残余应力的无损检测仍然是未能得到较好解决的难题。
[0003] 对于晶体材料的应力无损测定，世界上往往采用晶体衍射法。通常的X射线衍射 法，采用普通的X射线管，只能无损测定材料/工件表面10微米左右厚的平均应力，即通 常的X射线衍射法只能无损测定表面应力。而要无损测定材料/工件的内部应力，通常要 采用核反应堆的中子衍射，或者高能同步福射的短波长X射线衍射，但是，该两种装置的造 价和维护费用高昂，而在国际上，利用中子衍射的采用制备无应力标样技术无损测定材料/ 工件内部应力的方法已较为成熟，而且，我国在利用该两种方法无损测定材料/工件内部 应力的测试研究尚在进行中。在公开的W重金属祀X射线管为福射源的短波长X射线仪的 测试方法中，发明专利申请号为化201010586489. 7的发明专利申请中还公布了一种定点 无损检测轴制侣合金板材内部轴向残余应力和横向残余应力的方法，它采用W祀X射线管 福射，通过制备的无应力标样获得参考原始晶面间距d。，测算轴向和横向应变，计算得到轴 制板材内部的轴向残余应力和横向残余应力，该方法需要制备无应力标样，不仅费工费时， 而且难于保证制备的无应力标样内部残余应力值为零，增大了测试误差，影响了材料/工 件内部残余应力的无损检测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种利用重金属阳极祀X射线管作为福射源的短波长X射线 衍射的板状内部应力定点无损检测方法，该方法免除了费工费时制备的无应力标样及其增 大测试误差的影响，可W无损检测材料和工件所测部位的任意方向的应力。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] (1)选定测量所用的重金属祀X射线管的短波长特征X射线Ka系；根据X射线 管的重金属祀材的短波长特征X射线K a系的能量，设定X射线探测分析系统的能量分析 器上下阔，如此该样，X射线探测分析系统只测量重金属祀X射线管发出的短波长特征X射 线Ka 1，或者Ka 1和Ka 2,如W祀金属祀X射线管发出短波长特征X射线WKa 1的能量为 59. 3kev，设定其X射线探测分析系统的能量分析器上阔为60. Okev和下阔为58. 6kev的 话，其X射线探测分析系统就只测量短波长特征X射线WK a 1;
[0007] (2)选取测试的衍射晶面化kl)并计算衍射角2 0 hki;选取试样的最强衍射峰或较 强衍射峰对应的化kl)晶面作为测试的衍射晶面，例如，对于侣试样的A1 (311)晶面及W祀 金属祀X射线管，根据布拉格方程，由AU311)晶面间距和WKai的波长计算得到2 0 311 = 9.8190° ；
[000引 做设置测量化叫晶面衍射谱的测试参数；设置仪器的管电压、管电流、2 0的扫 描范围、步长等测量化kl)晶面衍射谱的其它测试参数，其中，管电压为所选重金属祀X射 线管发出的短波长特征X射线K a 1激发电压的2?6倍，例如，对于W祀金属祀X射线管 发出的短波长特征X射线K a 1，管电压的设置在120?360kv范围内选定；
[0009] (4)多个W角的选择：在W = 45。?90。范围内选择n个W角，W = 45。， ^2,…，^。_1，90° (n为大于1的正整数，一般来说n = 4)，n个W角既可W在W=45。? 90°范围内按照等角度间距选取，也可W在sin2W = 0. 5?1范围内按照sin2W值等间距 选取；
[0010] (5)板状试样安装：将板材试样（W下简称试样）固定于样品台上并使得试样板 面法线与入射的X射线平行，W及所需测试应力的方向在W角转动平面内；
[0011] (6)试样内部被测部位平移到衍射仪园的圆屯、；通过样品台的X、Y、Z平移，将试样 被测部位运动到衍射仪园的圆屯、；
[001引 （7)多个W角的化Id)晶面衍射谱测试和定峰：依次测量W = 45°，^2，…， ^。_1，90°的化kl)晶面衍射谱；
[0013] (8)各W角的化kl)晶面衍射谱定峰并计算试样内部被测部位的应力：采用抛物 函数线法或高斯函数法拟合（hkl)衍射峰，计算得到各W角化kl)晶面衍射谱的峰位的 2 0 **，简化的平面应力状态的试样内部被测部位、被测方向的应力呵计算公式为
[0014]
【权利要求】
1. 一种短波长X射线衍射的板状内部应力定点无损检测方法，所述方法包括如下： (1) 选定测量所用的重金属靶X射线管的短波长特征X射线Ka系：根据X射线管的 重金属靶材的短波长特征X射线Ka系的能量，设定X射线探测分析系统的能量分析器上 下阈； (2) 选取测试的衍射晶面（hkl)并计算Ka系对应的衍射角2 0 hkl:选取试样的最强衍 射峰或较强衍射峰对应的晶面（hkl)作为测试的衍射晶面，计算得到短波长特征X射线Ka 系对应的衍射角2 0 hkl; (3) 设置测量（hkl)晶面衍射谱的测试参数：设置仪器的管电压为所选重金属靶X射 线管发出的短波长特征X射线Kai激发电压的2?6倍，设置包括2 0hkl的扫描范围、步长 在内的测量（hkl)晶面衍射谱的测试参数； (4) W角的选择：在W=45°?90°范围内选择n个屯角，屯=45°，W2，…，Wh， 90°，n为大于1的正整数； (5) 板状试样安装：将板材试样固定于样品台上并使得板材试样板面法线与入射的X 射线平行，以及所需测试应力的方向在W角转动平面内； (6) 板材试样内部被测部位平移到衍射仪园的圆心； (7) 多个W角的（hkl)晶面衍射谱测试：依次测量W= 45°，W2，…，的 (hkl)晶面的Ka系衍射谱； (8) 各W角的（hkl)晶面衍射谱定峰并计算板状试样内部被测部位的应力：拟合衍射 峰，定峰计算得到Ka:对应的各W角的（hkl)晶面衍射谱的峰位20#，简化的平面应力状 态的试样内部被测部位、被测方向的应力~计算公式为
其中，K一一所测试样材料（hkl)晶面的X射线应力常数； M--％对sin2W的变化斜率； Qhkl一一所测试样材料（hkl)晶面的理论值； ^一一所测试样板面法线与所测试样材料晶面（hkl)法线的夹角； 2、 所测试样在各W角时测得的（hkl)晶面衍射角； Ehkl一一所测试样材料（hkl)晶面的弹性模量； Vhkl一一所测试样材料（hkl)晶面的泊松比； 计算过程：由屯=45°?90°范围内测得的n个测试数据，计算得到20?^对Sin2^r 的变化斜率M;由Ehkl、Vhkl以及0hkl就可以计算得到所测试样材料晶面的X射线应力常数 K;将计算得到的K、M带入cv计算公式，就可以由Ka:衍射谱计算得到试样内部被测部位、 被测方向的应力值％。
2. 根据权利要求1所述的短波长X射线衍射的板材内部应力定点无损检测方法，其特 征在于：所述步骤⑶中，还可以由包含Ka2的（hkl)晶面衍射谱，计算得到Ka2对应的各 W角应的（hkl)晶面衍射谱的峰位20#，并代入应力〇9计算公式，得到由Ka2衍射谱计算 的试样内部被测部位、被测方向的应力值cV并按照Ka:与Ka2的强度比2 :1加权平均计 算，得到由Ka系衍射谱计算的试样内部被测部位、被测方向的应力值％。
3. 根据权利要求1或2所述的短波长X射线衍射的板材内部应力定点无损检测方法， 其特征在于：所述步骤（5)中，所需测试应力的方向为板状试样板面内任意方向。
4. 根据权利要求1或2所述的短波长X射线衍射的板材内部应力定点无损检测方法， 其特征在于：所述步骤（7)中，针对粗晶，增加步骤：试样在X或Y方向上做一定振幅的往复 运动，减小衍射的统计误差。
5. 根据权利要求1或2所述的短波长X射线衍射的板材内部应力定点无损检测方法， 其特征在于：所述步骤（4)中n个W角在W= 45°?90°范围内按照等角度间距选取， 或者在Sin2W= 0. 5?1范围内按照Sin2W值等间距选取。
【文档编号】G01N23/207GK104502385SQ201410842101
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】郑林, 张鹏程, 肖勇, 张津, 何长光, 彭正坤, 窦世涛 申请人:西南技术工程研究所, 中国工程物理研究院材料研究所