X射线衍射在残余应力分析中的应用

1、x射线衍射在残余应力分析中的应用杨国彬 （测101）摘要 x射线衍射测量残余应力的原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测量的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。关键词 x射线衍射 残余应力 xrd 1引言 x射线衍射在残余应力分析中具有重要的作用。x射线应用在残余应力的分析中，是科技的一项重大突破。其中在：定量分析轴承和内燃机喷射器部件中的残余奥氏体 检测输片惰性轮中的残余应力 检测汽车发动机部件的残余应力（凸轮轴、连杆、发动机轴、均衡器） 检测由于全回火引起的残余应力（家用电器、结构部件） 检测气体传导时所存在的工作压力 检测大幅度拉伸结构件中的工作应力 通

2、过检测应力来测量工件喷丸和轧制的效率 检测铸件的残余应力（机械工具铸铁件和汽车铸铝部件） 检测焊接引起的应力（激光和电焊） 研究铝合金汽车轮廓中的残余应力和应力阻抗的关系 优化切削去除的工作参数以提高机械部件的应力阻抗 检测螺旋式和叶式弹簧的残余应力 研究加上工作载荷后的临界区域（武器和航空）等很多领域都有贡献。2应用举例（1） dd3镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的x射线衍射分析 试样制备与测试方法试验材料为镍基单晶高温合金 其化学成分 质量分数 为 将其进行空冷空冷的热处理后 其组成相为固溶体相和 相 晶体结构为立方晶系采用线切割加工出块状试样 尺寸为 单晶 晶向为试样的表面法线方向 即单

3、晶 面与试样表面平行 对试样原始线切割面进行磨削加工 磨削深度超过 然后进行喷丸处理 采用直径为的陶瓷丸 喷丸强度为 型试片 确保覆盖率在以上使用 型 射线衍射仪 铜靶 辐射 测定 衍射晶面 单晶弹性柔度系数 射线弹性常数 结合电化学腐蚀技术进行剥层 分别测试喷丸试样不同层深处单晶组分与多晶组分中的残余应力由 图 可 见 试 样 表 面 法 线 轴 为 晶 体 方向 试样表面某特定方向 轴即晶体 方向 空间 方向是 晶面的法线方向。 叶片的断裂属于疲劳断裂 裂纹源始于叶片的进气边 叶片产生断裂的内因为所用材料与常规设计材料不符 且采取的热处理工艺不当 叶片表面颗粒冲蚀产生的凹坑是疲劳裂纹形成的

4、外因。（2） x射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力。1 x 射线衍射应力测定法图1 所示是x 射线衍射应力测定法的基本工作原理. x射线衍射法测定某种晶体材料的残余应力是根据晶面间距的变化来计算材料应力的. 通过o 点,沿试件表面应力测定方向的 x 轴, 垂直试件表面方向的 z 轴,与 z 轴呈 u角有一条斜线, 它对应的x射线衍射角为2h u x ,则x 方向的应力可利用下式计算:式中, e 为材料的弹性模量( mpa) , l为材料的泊松比, h 0为无应力状态下材料的x 射线衍射角, 2h u x为衍射角, u为被测表面法线与衍射晶面法线间的夹角, u0为入射x 射线与被测表面法线的夹角

5、7, 9, 1 1。.实验研究获得的x 射线衍射残余应力测定结果,其应力分布在总趋势上与理论分析和其他方法的测定结果基本一致。（3） x 射线衍射技术在薄膜残余应力测量中的应用所谓掠入射,就是把入射x 射线以与表面近平行的方式入射,其夹角只有 1 b左右。此时x 射线穿透深度很浅,从而实现薄膜(尤其是纳米薄膜)表面及近表层的结构分析。显然掠入射几何要求采用高平行度的x 射线。20 世纪90 年代gbel镜的发明及其在试验室技术的应用, 极大地促进了掠入射 x 射线衍射( gr azing incidence x -ray diff ract ion, gixrd)技术及理论的发展。gixrd

6、使用非对称的衍射几何, 如图 3所示。其中, gbel镜可将发散的 x 射线转变为接近理想的平行光, 在减少光源发散度的同时提高了薄膜的衍射强度; gixrd 采用固定的掠射角a ,探测器单动做2h扫描接收衍射信号。x 射线衍射技术是纳米薄膜及强织构薄膜残余应力表征的重要手段。随着转靶x 射线、 同步辐射x 射线等高强度x 射线源的应用,以及gbel镜、 毛细管元件和高精度新型二维探测器等衍射仪功能附件的出现,薄膜微结构及残余应力分析进入了一个新的阶段,其中以x 射线掠入射衍射及微衍射分析为代表。相比较于中子辐射源, 高强度的 x 射线源(如转靶 x 射线)更容易在试验室技术中得到应用,随着分析理论的发展和基于同步辐射x 射线的工作开展, x 射线衍射技术必将在未来获得更广泛的应用。3结论用x射线衍射测量残余应力既方便又实用，既大大的降低了测量的难度，又提高了残余应力测量的准确性。是一个非常好的测量方法。但是x射线的穿透深度较小，只能测量材料表面的残余应力，如果需要测量材料内部的残余应力，或者测量应力梯度，其能力则显得有些苍白。通常采用的的方法是梯成法。参考文献陈艳华 须 庆 姜传海 嵇 宁，镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的射线衍射分析 中国期刊全文数据库2012/03李 黎 习宝