X射线残余应力测定方法的原理与应用.docx

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1、残余应力是第一类内应力的工程名称。段余应力在工件中的分布一般是不均匀的，而且会对工件的静强度、疲劳强度、形状尺寸稳定性和耐蚀性等产生显著的影响。因此，残余应力的测定非常重要。残余应力测定方法可分为有损检测法和无损检测法。有损检滞法是通过机械加工的方式将被测工件的一部分去除，局部找余应力得到林放从而产生相应的应变和位移，根据相关力学原理推算工件的残余应力。常用的有损检测方法有钻孔法与环芯法。无损检测法是利用残余应力会引起材料中某一物理珏（如晶面间距、超声波在材料中的传播速率或磁导率等）的变化，通过建立此物理量与残余应力之间的关系，测定相关物理量从而计算出残余应力,常用的无损检测方法有X射线衍射法

2、、中子衍射法、磁性法与超声法，其中，X射线衍射法因其原理较为成熟、方法较为完善，是目前在国内外应用最为广泛的方法，其测试设备也越来越完善，既有功能齐全的实险室仪器，也有适用于现场测用的便携苴仪器，还有适乎特殊场合的专用检测装理“采用X射线衍射法测定残余应力，最早是由俄国学者在1929年提出,把材料的宏观应变等同于晶格应变.1961年他国学者基丁这个思路研究出siM法，使得X射线衍射测定残余应力逐渐成为成熟的、具有可操作性的测试技术.X射线衍射测定残余应力技术经过60余年的发展，已开发出多种不同的测量方法，目前最主要的有siM法与COSa法两种.X射线衍射残余应力浦定方法分类为J然握X射线衍射残

3、余应力测定技术，有必要对其方法进行归纳，具体如卜.：(I)X射线衍射残余应力测定方法可分为sirv法、COSa法.(2)sin法按照残余应力计算方法分类，可分为2。法、d值法、应变法(3)sin”法按20的几何关系分类，可分为何倾法、侧倾法。(4)按X射线管、计数管扫描方式可分为固定*法，固定法。(5)侧倾法又可分为标准的侧倾法、修改的侧倾法、侧倾固定法。(6)测定剪切应力.采用的正负电测定法。(7)X射线衍射法一般是测定指定点指定方向的应力，也有指定点的主应力测定法。(8)摆动法可分为41.,摆动法、巾摆法、德拜环摆动法、小角撰动法和X/Y往更平移法等。(9)从衍射几何分类，有聚焦法、准聚焦

4、法和平行光束法.2sin2法应力是通过应变来进行测定的，对于多晶体材料而言，残余应力所对应的应变被认为是相应区域里晶格应变的统计结果，因此依据X射线衍射原理测定晶格应变，即可计算残余应力。材料的残余应力与宏观应变相对应，宏观应变被认为等同丁晶格应变，品格应变即品面间距的相对变化，而晶面间距的变化可以通过衍射装邑依据布拉格定律求出，这便是X射线衍射残余应力测定法的完整思路“O1.布拉格定律当一束具有一定波长的X射线照射到多晶体上时，会在一定的衍射角2。上接收到反射的X射线强度极大值(即衍射峰)，这便是X射线衍射现象，如图I所示。6钞图1X射戏衍射几何图X射线波长入、衍射晶面间距d和布拉格珀之间满

5、足卜式：2d0n(11=1.2.3.,)(1)在X射线衍射残余应力分析中，选用合适祀材的X射线管，即选定合适的波长人.通过衍射装置测定衍射角2仇就可以计算出相应晶面的晶面间距d:晶面衍射方位角依据光学的反射定律，参与衍射的晶面，其法线必定处r入射线与反射线的角平分线方位上，如图2所示。衍射晶面法线与试样表面法线的夹角即为衍射晶面法线方位角，通常用表示。图2X射线衍射品面方位角2示意依据布拉格定律，可以测定指定所对应方位上的晶面间距或。如果己知无应力状态的晶面间距力.便可以测定指定方位上的晶格应变小.03sinj法的适用范围S,.S,与S,为试样表面坐标轴，S1.由研究人员定义。图3为X射线衍射

6、残余应力测定坐标系统.图3X射戏衍射应力测定坐标系统依据广义胡克定律，这些晶面的应变是由O点的应力张量决定的，并且与的正余弦、材料的杨氏模量和泊松比等参显:密切相关。因此,有可能依据这些的关系求得。点的三维应力，包括应力。”由弹性力学可以导出OP方向上的应变的表达式。对于大多数材料和零部件来说,X射线穿透深度只有几微米至几十微米，因此通常假定.产0。所以，OP方向的应变如下式所示:#=S-玄S产BinR+产r,sin1(2)式中：e=u为材料的O点上由确定的优H品面法线OP方向上的应变SwiS产为材料中*/品面的X射线弹性常数SUW=为O点在坐标$ff1.S：方向上的正应力分量：名为S,方向上

7、的正应力;Q为作用面上垂出于试样表面方向的切应力。如果忽略彳,可以看出应变*Osin*星比线关系.这便是sin法的实质所在.将式2)对sin%微分.可以得出式(3).1艇甲)%(12)S3(w,.)sin三即在若干“用分别测定衍射角2G”并根据布拉格定律计算相应的应变EfT,采用最小二乘法计算斜率.根据式(33便可计算应力外.sin法公式是基于布拉格定律和弹性理论推导出来的.弹性理论所涉及的对象被假定为均匀、连续、各向同性的介质。对于多晶金屈材料来说，只有晶粒细小，没有织构，才近似满足这样的假定。图4分别为各向同性材料、存在应力梯度或成分梯度的材料、存在剪切应力的材料、存在织构的各向异性材料的

8、品与sirv的函数关系曲线。a）各向同他材料C,b）存在应力梯度或成分搐度的材料-500-100O1.-1500100Od）存在SR构的各向异性材料图4不同材料的sin曲线如图4（C）所示，如果出现剪切应力1.H.Tn0,SifV小曲线出现土分叉的情况，使用测得的一系列土。角上的应变数据E和可以求出。和4如下式所示:1Jt2*1.2Sj3sinja（jj）2r*-1.2Sj.JSin2需要说明的是，图4（c）所示的Sinw曲线真正出现土分叉的情况是很罕见的。因为,衍射用的X射线对被测材料的穿被微力极低,大多在几微米或十几微米的深度。因此，可以认为垂直于材料表面方向的应力分量均为零。只有在特殊加

9、工（如强力的、大切削量的磨削）的条件下，致使主应力平而偏离试样表而，才可能出现入工0,七#0的情况。通常出现分叉情况,拟合曲线往往不具备椭圆属性，其实质应该是测角仪土巾机构的系统误差造成的,因此无需过分强调椭圆拟合的必要性。综上所述，X射线衍射残余应力测定的实际可操作过程就是选择若干角(或若干对上角)分别测定衍射角2w然后进行计算。关于如何安排平面和2平面的空间几何关系、如何获取衍射曲线、如何进行计算等方面，学者们研究出了许多方法0真应变法、20法和d值法使用X射线衍射装置测得衍射向2w,根据布拉格定律求得与之对应的晶面间距为d。”则晶格应变川可用晶面间距来表示，如下式所示：e一啖)f瞪)(6

10、)将比应变直接代入式(3)、式(4)、式(5)计算应力，就是K应变法表达式。采用真应变法,无需也和。.的精确值。在大多数情况下采用真应变法具有显著优越性。计算应变也可以使用近似方程,如下式所示：(7)MS-%)志3/(三)式(7)和式(8)分别为将应变e平转化为“值的变化和衍射丽切的变化.应力计算公式也会有相应的改变。这样的计算方法分别为“值法和加法。2。法的计算公式如下:(9)K叽sin2式中:K为应力常数，其计算公式如下:E_”一丞Fkem%奇式中：V为材料的泊松比。对于某些材料，随着化学成分的不同，变化很大，使用应力常数，结果会出现较大偏差。其应变法已经我入欧盟标准EN153052008

11、NOn-destructivetestingTestmethodforresidua1.stressana1.ysisbyX-raydiffraction和GB/T7704-20176无损检测XJ线应力测定方法，X1.-640型国产应力仪把其应变法列为默认应力计算方法，同时可以选择2法进行计算。4同做法与他修法同倾法是20平面与平面(应力方向平面)相重合的测fit方法,如图5所示。N图5同慎法几何示意采用同倾法，X射线入射角，,是显性的，而角通过计算才能求出,如下式所示：o+711)丁四产(12)在实际工件的应力测试中，遇到测试点位于类似较浅沟槽部位的时候,测角仪测试空间受限，比较适合采用同候

12、法。侧倾法是2平面与平面（应力方向平面）相瓦垂直的测量方怯，如图6所示。图6例忸法几何示意侧倾法（X法）的特点是衍射峰的吸收因子作用很小，有利于提高测定精度。2。范围与范围可以根据需要充分展开，对于某些材料可以使用峰位较低（如峰位低于145）的衍射线测定应力.但是，由丁该方法的2。平面与*平面比相垂直，需要的是一个立体的空间，难以适用于某些空间狭小部位的测定.某国外公司的应力仪产品采用的是修改后的侧颈法，采用双探测器，其几何布置示意如图7所示.图7修改后的ftj帧法几何示意早在1977年1月，中科院金属研究所的李家宝先生就提出了这种测试方法和计算公式，如下式所示:CoS浜sin2o1sag-c

13、,)23sin(13)(11)侧倾法又分为固定科法和固定中法，固定中法又因原理准确、实用效果好而优于前者。将两种方法结合，即在侧倾的条件卜.实施固定法便会使吸收因子恒等丁1.,也就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会帧斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况卜峰形及强度不随角的变化而变化.显然，这个特点对提高测量精度是十分有利的，fW倾固定法是很理想的一种测量方怯。摆动法摆动法是在探测器接收衍射线的过程中，以每一个设定的角（或.加）为中心，使X射线管和探测器在申平面内左右回搜一定的角度（A或AM）的应力测定方法。这种方法增加了材料中参加衍射的晶粒数，是解决粗晶材料应力测定问题的近似处理方法。基

14、于这样的思路，还可以采取角摆动法和X/Y平移摆动法，甚至可以组合不同的摆动方法进行测试.6cos法2012年日本PU1.STEC公司首次推出基于二维探测器技术的应力仪，该仪器采用单次入射方式，利用二维探测器采集X衍射线，可于短时间内采集到测试点的德拜环信息。德拜环上各点对应的晶面法线与试样表面法线形成的*角不在一个平面内，所以无法用Si1.r中法计算应力，从而使用角，这就是所谓的CoSa法,如图8所示。应力方向平面ISMiF图8cosa法几何示意该测试方法比较适用于大型钢结构件的表面应力测试。对于测试粗晶粒材料或存在织构的材料而言，该仪器的使用具有局限性。CoSa法基于弹性力学原理，如下式所示

15、:(15)(16)wj一31+Sin-Vs11*o1.,cosajE._11_.-2(1.+v)sin7sir0bcosa.图9所示的“全二位探测器W角最大采桀范围（入射角为45。）见图8.a角在德拜环平面上，即镖拜环上每个点的圆心角。将应变张量在空间角度上进行变换，cos法所采用的a角完全可以与角进行相互换.算。CoSa法其实就是近似处理的sirV法。图9sin1.曲线中CoSa法数据点的位置7不同仪器窝定热轧钢板的残余应力对比通常使用的热轧钢板，一般可以认为不存在织构，实际上由于多种因素的作用，钢板某些部位会存在某种程度的织构。在此情况下，多数用户仍然倾向于采用X射线衍射法测定其残余应力。选取一块存在织构的热轧钢板，测试条件与测试结果分别见表1与表2,各个仪器测定Z(O