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残余应力的X射线衍射分析

日期:2020-07-03

                                           张玉成 布鲁克X射线部门 2020-07-03

 残余应力对材料和部件的尺寸稳定性、抗应力腐蚀、疲劳强度、相变等性能有很大影响。一般认为压应力有益于提高构件的疲劳强度,拉应力可促使裂纹开裂、对应力腐蚀和疲劳寿命产生不利影响。因此,对残余应力研究很有实际意义,其测量受到学术界和工业界的广泛关注,测控残余应力以提高工件或材料的性能和使用寿命在工程应用上很重要。

 

1 内应力的分类与 X 射线衍射效应

内应力是指没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。依据对晶体的X射线衍射现象的不同,可将内应力分为三类:

 

2 什么是残余应力?

国内科技文献习惯将I内应力称为残余应力。一般英、美文献中把I内应力称为宏观应力Macrostress),把IIIII内应力合称为微观应力Microstress)。

残余应力可以认为是 第I内应力的工程名称。至于通常所说的热处理应力焊接应力铸造应力等则是实施这些工艺的过程中产生并残留的残余应力的简称。

3 X射线衍射法测量残余应力的基本原理(sin2ψ法)

X射线衍射测量残余应力的基本原理是以测量衍射角的偏移为基础,得到应变,而后通过弹性力学计算得到残余应力。

在无应力状态,衍射角不随晶面方位角ψ变化而变化。当试样中存在残余应力时,晶面间距将发生变化,发生布拉格衍射时,产生的衍射峰也将随之移动,而且移动距离的大小与应力大小相关。

 

在拉应力状态,晶面方位角ψ越大,晶面间距d也越大,依据布拉格定律,衍射角就越小;相反,在压应力状态,晶面方位角ψ越大,晶面间距d也越小,相应地,衍射角就越大。

 

可以推想,衍射角随晶面方位角ψ变化而变化的快慢程度,直接反映出应力值的大小。根据布拉格定律和弹性理论,可以推导出:

 

其中,K为应力常数。这样,只要测出不同晶面方位角ψ对应的衍射角,求出对sin2ψ的斜率,就可以根据上式算出应力σ

4 XRD残余应力的测量方法

1)   同倾法

试样的Ψ转轴与衍射仪的θ/2θ轴重合,Ψ角在计数管扫描平面内变化,上述两个平面重合,测定的是试样横向的表面应力。这种Ψ角设置方式在国内称为常规法,在欧洲叫做Ω-测角仪。

 

2)   侧倾法

若试样的Ψ转轴与衍射仪的θ/2θ轴垂直,即上述两个平面相互垂直,试样表面法线S3与计数管扫描平面之间的夹角为Ψ,测定的是试样轴向(S1轴方向)的表面应力。这种Ψ角设置方式在国内称为侧倾法,在欧洲叫做Ψ-测角仪。 

 

3)   GID

以小角度掠射的方法进行残余应力分析,主要适用于薄膜样品。

5 X射线衍射应力测量参数选择

1)   衍射峰

2)   PsiChi

3)   Phi

应用举例-碳钢的残余应力分析

典型的仪器配置及测量参数

采用上述参数测量后,根据样品中应力状态的不同,主要存在以下几种典型的应力曲线:

 

 
  
 

 


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