专利名称：：X射线残余应力测定装置和方法
技术领域：
：本发明属X射线残余应力无损检测装置和方法。目前残余应力无损检测方法中，X射线法最成熟，用于残余应力测定的Cr、Fe、Co靶X射线管，发出的标识X射线波长长，在铜及其合金或钢铁材料中的穿透深度仅10-6m数量级，所以，至今X射线法测定的只是工件表面某点的残余应力。要测表面其他点的残余应力，需人工移动工件至被测部位，或者移动应力仪至工件被测部位；要测残余应力沿层深的分布，必须对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，形状简单的工件如圆柱、圆筒等，可以按一定公式进行残余应力剥层校正，而形状复杂的工件这种校正则无法进行。剥层测定，不仅工作量大，测量精度差，而且是破坏性的测量方法。本发明的目的，就是为了克服上述X射线残余应力测定装置和方法只能无损测定表面残余应力的不足，而提出一种主要用于铝、铍及其它低原子序数材料的X射线残余应力断层扫描测定装置和方法。本发明的基本原理是X射线波长越短和被照射工件所用材料原子序数越低，入射X射线的穿透深度越深。探测来自不同深度不同部位的衍射线，就能无损探测残余应力在工件内的三维分布。本发明的装置结构面说明如下附图1为X射线残余应力测定装置框图，其中1为X射线管；2为测角仪；3为入射光阑；4为工件；5为工作台；6为接收狭缝；7为辐射探测器；8为X射线发生器电源；9为计数率器；10为打印机；11为计算机；12为稳压电源。附图2为平行限位接收狭缝结构剖面图，其中1为狭缝(1)；2为狭缝(2)；3为狭缝(3)。附图3为平行限位接收狭缝A向视图。附图4为平行限位接收狭缝俯视图。附图5为锥度限位接收狭缝结构剖面图，其中1为上端开口；2为下端开口；3为光圈；4为步进电机；5为径向叶片。附图6为锥度限位接收狭缝俯视图。附图7为光圈结构图。附图8为实施例采用的装置框图，图中的符号与附图1相同。附图9为被测工件示意图，其中A、B、C、D、E、F为表面被测点的几何位置。附图10为过A、B、C、D、E、F的轴向截面被测点分布图。附图11为三维应力分布测量和计算框图。下面结合附图对本发明简述如下本发明所涉及的X射线残余应力无损检测装置和现有X射线应力仪一样，包括X射线管、测角仪、入射光阑、接收狭缝和辐射探测器，这些部件均安放在一个可以升降的悬臂支架上。X射线管和接收狭缝位于测角仪圆圆周上，并可绕工件被测点为圆心的圆心转动。本装置基本结构如图1所示，其主要特征是(1)采用Cu、Mo、Ag、W等重金属材料为阳极的X射线管，使其发出穿透能力强的短波长标识X射线，对原子序数比较低的(如Z≤13)金属和非金属材料，可以穿透厘米数量级的深度，W标识X射线谱对钢铁材料可以穿透毫米数量级深度；(2)备有0.2，0.5，1和2mm直径的入射光阑可任选用，最小能测定0.03mm2面积范围的残余应力；(3)用正比计数器或闪烁计数器探测衍射线时，采用附图2所示平行限位接收狭缝，用位敏探测器探测衍射线时，采用附图3所示的锥度限位接收狭缝；(4)为了实现断层扫描，由微机控制置于工作台的工件作X、Y、Z三维方向运动，其步长为0.1mm；(5)微机完成数据处理，由电传打字机输出各被测点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图。本装置中的接收狭缝有两种结构形式，一种是闪烁计数器和正比计数器配用的平行限位接收狭缝，其结构如附图2，一种是与位敏探测器配用的锥度限位接收狭缝，其结构如附图3。附图2中的平行限位接收狭缝，由钼、钽等材料制成，图中狭缝(1)和狭缝(2)尺寸为(8～10)×(0.15～0.3mm)，狭缝(3)尺寸为(8～10)×(1～3)mm。狭缝(1)和狭缝(2)之间的距离为13～15mm，狭缝(2)和狭缝(3)之间的距离为3～5mm。三个狭缝互相同向平行，且中心线互相重合。探测衍射线时，平行限位接收狭缝与正比计数器或闪烁计数器同步运动。附图5中的锥度限位接收狭缝(以下简称锥度狭缝)，由钼、钽等材料制成，其锥度由位敏探测器可探测的有限角度决定。附图5中的1为锥度狭缝的上端开口，其尺寸与位敏探测器的有效尺寸吻合，用4颗螺钉与位敏探测器连接；2为锥度狭缝下端，下端两锥面的延伸相交于测角仪圆的圆心；3为安装在锥度狭缝下端的光圈，光圈的孔径由图中步进电机4调节。光圈叶片由钼、钽等薄片制作，其最小孔径为0.02mm，最大孔径为4mm；5为锥度狭缝内沿测角仪圆径向分布的、厚度为0.05mm的钼或钽薄片。钼、钽薄片2～6片，在锥内均匀排布。改变2θ位置时，锥度狭缝与位敏探测器同步移动。改变锥度狭缝的孔径，可以调节探测张角的大小。本装置适用于铍、铝及其合金、陶瓷材料和一些复合材料的残余应变和残余应力的断层扫描测定。如果采用钨标识X射线，还可测定毫米数量级的钢铁材料。X射线残余应力测定方法包括(1)试样表面处理；(2)调节试样表面被测点与探头(或X射线焦点)距离，使被测点位于测角仪圆的圆心；(3)选择辐射和衍射条件；(4)搜集衍射谱和被测点的坐标位置，由微机进行数据处理，计算被测点的残余应变和残余应力；(5)根据需要由微机控制工作台作X、Y、Z三维方向移动，便可测定穿透深度范围内任意一点的残余应力；(6)由微机进行数据处理，打印输出各点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图。X射线残余应力测定方法的特征是(1)采用穿透能力强的短波长X射线，即Cu、Mo、Ag、W标识X射线；(2)被测点可以在工件表面，也可以是工件内部X射线穿透范围的任何一点，且测量时必须位于测角仪圆的圆心；(3)采用平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝，以保证被测点的衍射线进入探测器，而将其他点的衍射线阻挡在探测器之外。本发明克服了现有X射线残余应力测定装置和方法的不足，能自动、无损地测定X射线穿透范围内的残余应变和残余应力在工件中的三维分布，具有操作简便，节约时间，测定的残余应力值真实、可靠等优点。实施例附图8为实施例所用装置框图，图中的符号与附图1相同，厚度为4±0.2mm的铍焊件4，置于与理学MSF-2MX射线应力仪配套的侧倾台5上，调整试样表面被测点A与X射线管焦点的距离为110±0.2mm，在探测器7前安放平行限位接收狭缝6。采用Cu靶，按常规方法操作仪器，管压30KV，管流10mA，平行限位接收狭缝0.15mm。表面被测点A测试完毕后，将侧倾台升高2±0.2mm，此时工件上升2±0.2mm，图中虚线所示为上升后的工件位置，相应测角仪圆的圆心移至表面以下2±0.2mm，该点(附图10中的A1点)即为被测点。工件移动到位后，测定表面以下2±0.2mm这点的残余应力，测试完毕，将侧倾台升高4±0.2mm，此时工件上升4±0.2mm，测角仪圆的圆心移至表面以下4±0.2mm，即移至工件底部，该点(即附图10中的A2点)就是被测点。底部这点测试完毕，工件伴随工件台下降4±0.2mm，此时测角仪圆的圆心重新移至工件表面，即返回附图10中的A点。根据予先安排的方案，调整侧倾台，使工件沿轴向每移50±0.2mm，重复以上步骤，将B、C、D、E、F各点径向残余应力沿轴向一截面上的分布测定出来，所得结果如表1所示。上述结果，由人工调节工作台的运动完成，也可由微机控制步进电机驱动工作台扫描运动完成。表1.A、B、C、D、E、F径向截面残余应力测定结果(MPa)</tables>权利要求1.一种X射线残余应力测定装置，包括X射线管，测角仪，入射光阑，工作台，接收狭缝，辐射探测器，X射线发生器电源，计数率器，打印机，微机和稳压电源，其特征是(1)X射线管为短波长X射线管，其阳极靶的材质为Cu、Mo、Ag、W等金属，最高管电压为200～300KV，最大管电流为8～10mA，最低管电压10～20KV，最低管电流1～2mA，并连续可调；(2)接收狭缝为限位接收狭缝；(3)工作台由微机控制或手动，可作X、Y、Z三维方向运动。2.根据权利要求1所述的X射线残余应力测定装置，其特征是平行限位接收狭缝由三个互相同向平行的钼、钽等材料制成的狭缝组成，狭缝(1)和狭缝(2)之间距离为13～15mm，狭缝(2)和狭缝(3)之间距离为3～5mm，其中正对X光的第(1)、第(2)狭缝宽度相等，其尺寸为(8～10)×(0.15～0.3)mm，第(3)狭缝的宽度比第(1)、(2)狭缝的宽度大1～3mm。3.根据权利要求1所述的X射线残余应力测定装置，其特征是锥度限位接收狭缝的上端开口与位敏探测器有效探测面积相等，锥度限位接收狭缝的下端安装孔径可调的光圈，锥度限位接收狭缝的锥度，与位敏探测器有效探测张角一致，锥内沿径向均匀安装2～6片钼、钽薄片。4.一种实施权利要求1所述装置的X射线残余应力测定方法，包括(1)试样表面处理；(2)置试样于工作台，调整试样表面被测点与探头距离，使被测点位于测角仪圆的圆心；(3)选择辐射和衍射条件，搜集衍射谱和被测点的坐标位置；(4)控制工作台作X、Y、Z三维方向移动，按需要测定穿透范围内任意一点的残余应力；(5)由微机进行数据处理，打印输出各点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图，其特征是(1)采用Cu、Mo、Ag和W等短波长标识X射线管；(2)被测点可以在工件表面，也可是工件内任何一点，且必须位于测角仪圆圆心；(3)采用平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝，只允许被测点的衍射线进入辐射探测器。全文摘要一种X射线残余应力测定装置和方法，其装置是在现有X射线残余应力测定装置的基础上改X射线管为短波长X射线管，且管电压高，所用接收狭缝为限位接收狭缝，其方法是在现有装置的测定方法中采用短波长标识X射线，使被测点位于测角仪圆圆心，且通过限位接收狭缝，只允许被测点的衍射线进入辐射探测器。本发明能自动、无损、真实地测定X射线穿透范围内的残余应变和残余应力在工件中的三维分布，具有高效、无损、操作简便等优点。文档编号G01N23/20GK1162116SQ97101150公开日1997年10月15日申请日期1997年2月3日优先权日1997年2月3日发明者周上祺,任勤,郑林申请人:重庆大学