X射线残余应力测试

1、X射线应力测定技术预备知识一、X射线的本质与产生Is:X射线的本质41oololooloooooooo1J一二l-Jlzt10n10-10E叱吧alol心吧心此吧吧叱心心远吧&还心吧心ft*M*-*X坎fl用*仟因1、电磁波谱各个区战柯上F瑟用以芻绸荷定.本麻中各种屯兹汝詢边界定财定的1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1912年德国物理学家劳埃等人成功地观察到奖射线在晶体中的衍射现彖，从而证实了射线在本质上是一种电磁波。依据电磁波的波长，从3X10仏以上到10i$rn以下，可以把它们分别称为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线和宇宙射线等（如图1所示）射线的波长范围在1012m

2、108m之间。用于衍射分析的X射线波长通常在0.05nm0.25nm范围，用于金属材料透视的:X射线波长为O.lnm0.005nm,甚至更短,。实验证明，波长越长的电磁波，其波动性越明显，波长越短的电磁波，其粒子性越明显。X射线和可见光、紫外线同其它基本粒子一样都同时具有波动性和粒子性二重特性。正因为它们的具有波动性，光的干涉衍射现缓才得以圆满解释；也正因为它们的粒子性，探测器才可以接收到一个个不连续的光量子。反映波动性的波长小频率与反映粒子性的光子能量卩之间存在以下关系：=hufcf入式中力为普朗克常数，力=6.626X10鬥$弋为光速，也是天射线的传播速度，c=2.2998XIOWso2、

3、X射线的产生研究证明，当高速运动的电子束（即阴极射线）与物体碰撞时，他们的运动便急遽的被阻止，从而失去所具有的动能，其中一小部分能壘变成射线的能壘，发生X射线，而大部分能霾转变成热能，使物体温度升高。从原则上讲，所有基本粒子（电子、中子、质子等）其能壘状态发生变化时，均伴随有X射线辐射。通常使用的X射线都杲从特制的犬射线管中产生的。图2是奖射线管的结构和产生奖射线示意图。灯丝上的热电子在高电压的作用撞击就从X射管壁射出因2、X射线管的一般结构示意因下以高速度阳极靶面，靶面上产生线，并通过上的彼窗畝来。3s连续犬射纯谱和标识X射线谱从X射线管发出的X射线分为两种：种是波长连续变化的射线，构成连续

4、天射线谱，和白色可见光相类比。连绫谱包含从一个短波限人开始的全部波长的X射线，辐射强度随波长连续变化，升高天射线管的因3、栩靶的连续谱与标识谱电压，各波长的辐射强度一致増高，短波限人变小。之所以存在一个短波限人“就因为撞向阳极的电子的能壘取决于管电压，产生X射线的能壘至多等于电子的能量，因此辐射有一个频率上限5对应的波长就杲短波限人o。另一种是具有特定波长的X射线，他们去加在连续X射线谱上，称为标识或特征X射线谱（如图？所示）。当加在X射线管上的电压达到一定值（临畀激发电压）的时候就会产生标识谱犬射线.一旦产生了标识谱X射线，管电压继续升高，其强度随之増大，但是它的波长却不随管电压的升高而变化

5、。实际上标识谱的波长取决于X射线光中阳极靶的材料，测定其4、标识X射线的产生如果说连续X射线是由高速电子被靶急剧减速而产生的，那么标识X射线则源于靶材料本身的原子之中.在此只需把原子看戚是由原子核和在其外围壳层分布的电子所组成便定够了（如图4所示）如果轰击靶的高速电子具有足够的能量，以至于把K层一个电子撞出,便使得原子处于受激状态或高能状态；外层的电子即跃迁到K层的空位，并在这个过程中发射出能量，使原子重新回到正常状态.所发射的能量等于跃迁电子的能级之差限一个X光壘子的形态辐射出来，事实上这就杲K系标识X射线（当然如果是在L层产生空位,发射的就是L系标识X射线，収此类推）.它同时具有波动性，其

6、频率波长取决于能级之差0E心E=hj=hcf如果K层一个电子被撞出，相邻的L层上的电子来填补空位，产生的X射线称为辐射；如果由M层电子壇补K空位，产生的X射线称为Kb辐射（如图3所示）在高电压的作用下，轰击靶的电子动能必须犬于或等于內层电子与其原子核的结合能咼：才可能撞出內层电子，所以先对应地存在一个临界激发电压VKa不同的靶材，随原子序数Z的増大，跃迁电子的能级之差0E也随之増大，同一系标识X射线的波长人也越短，莫塞莱定律给出了它们之间的关系：多4、电子跃迂产生X射践式中疋和门为常数这就解释了为什么根据标识谱线的波长可以断定靶材的原子序数乙至此，我们对用于X射线衍射的标识谱X射线的来源和本质

7、有了初歩的认识二、简单的晶体学知识众所周知，自然界里的固态物质分为晶体和菲晶悴.所谓最即就是由原子所组成的图样，在三维空间中周期地扫E列而构成的固体把晶体中质点扫E列的规律性抽家出来，就可限得到学回息咋.在空间点阵之中人们可决选出一个能代表该点阵捷列规律的最小几何悴，这就是最腿；整个空间点阵可氐看作是由许许多多晶胞在三维空间重复扫E列而成的.按照晶胞形式的不同，自然畀里的晶体分属于14种布拉维榕子，归纳为七大晶系，例如立方晶系，汽方晶系等等.这本来是非常复杂的一门学间，所幸我们面对的丈多数金属材料只分别貝有如下三种典型的晶胞：体心立方、面心立方和密排六方如图5所示h图5、三种典型的晶胞圉乩二錐

8、点阵和晶面、晶面指数（心面心立方.（b）密律六方”U体心立方.蛊边是品胞点阵.右边是原排列问走大的品面我捲数小井貝有高的节点密度；反辻来.品面播数的数宇越大.英品面问距就越小.节点密度也因为晶体中的原子是规则捷列的，人们总可以在其中按照不同的取向找到讦多组相互平三、X射线在晶体上的衍射经过实际观零和科学分析，人们逐歩认识到X射竝和可见光貝有相同的本质，试图类比可见光的反射和衍射设计X射线的衍射试验.最早是劳埃，基于当时还处在萌芽状态的晶体知识和X射竝知识决及光柵衍射可见光的事实，提出用晶体作光栅来衍射翼射线，1912年在他的指导下实验获得成功-差不多同时英国物理学家布拉格父子也完成了类似的实验

9、，并导出著名的布拉洛公式.他们的实验既证实了X射线具有波动性，同时也证明了晶体內部结构的周期性，布拉格还测定了岩盐的晶悴结构.在布拉洛实验中得到的结果是在某些特定的入射角度上有较高的反射强度，而在另外一些角度上就不发生反射.对比可见光的反射规律，发现X射线在晶面上的反射和可见光在镜面上的反射有共同之点，那就是満定反射定律；便是却又一个重大的差异：可见光可以任何角度入射到谟面上都能发生反射，而X射线只有在某些特定的角度凡射才能发生发射.因此，人们把X射线的这种反射称为“选择反射实际上，选择反射是由翼射线和晶体的性质就决宦的.翼射竝不同于可见光之点在于它可以穿透到晶悴內部，同时许多相互平行的晶面上

10、发生发射，然而仅当在这些反射线相互干涉而加强的情况下才能真正产生出反射线来.相互干发加强的条件自然应当是各晶面反射线的光程差等于X射线波长的整数倍，即所有的反射光波的位相相同.在晶面旺巨凸一定、入射X射线波长一定的前提下，只有连续改变入射角，才能找到一个满定“整数倍”条件的入射掠甫X才能得到反射线.这便杲对选择反射的通俗理解.如图4-11所示，当一束波长齿A的翼射线入射到晶面上时，这些晶面都会依照反射定律发生反射.该晶面间距为乩入射和反射的掠角为乩从图4-11可以看出，相邻晶面的反X射线衍射法的特点在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的.它原理成熟，方法完善，经

11、历了七十余年的进程，在国內外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果.由测量瘵理可知，X射线衍射法通过测定材料中晶面间距的变化来计算应力，因而从根本上讲是可靠的.在构件承载的情况下，测得的是载荷应力与残余应力之代数和.测定等强度梁在不同载荷下的应力，可以看到X射线应力与载荷应力有很好的一致性，令人信服地表明X射线衍射法的准确与可靠.此外，X射线衍射法还有如下特点：（1）以无接触的方式测定应力，所以是无损的测试方法，这对于实际工件是最可宝贵的特点之一（2）因所使用的X射线有效穿透深度的限制，本方法测得的杲试样表层几徴米到几十徴米深度內的平均应力.利用这个特点，借助于适当的手段（如电解抛光）对

12、试样进行剥层,并逐层测试应力，便可测得应力沿层深的分布.正因为每谀的测试深度比较小，才能比较客观地反映每一层的应力，才能找到接近真实的应力极值.（3）测试点.的大小（即X射线照射面积）可以很小，这样便于测宦应力在表面各处的分布.X射线照射面积一般可以在5X10mm到2X2mm之间选择.如需更小，则只须适当改变测量条件；即便照射面直径小到1吨仍可达到定够的测量精度.（4）对于复相材料（例如铁素体或马氏体与奥氏体双相钢），在某些情况下可以分别测定各相的应力.（5）由测壘原理可知，X射线衍射法能够反映应力的纯弹性性质，不会因塑性应变而引起应力值的测量误差随着科学技术的飞速进展，號射线应力测试设备也不

13、断改进，不但功能増强，而且更加小型化，测试工效犬大提高.这样，X射线衍射法不仅适合于实验研究，而且适合于现场测壘关于测试深度，这里再补充论述一些观点，洪参肴工件表面在加工过程中经受的外力和变形，迺遇的温度变化，限及自身发生的组织结构变化或相变，总是明显冈别于它內部的，而且一般说来，各种变化引起的数应都比其內部来的强烈一些.因此，最尢的或变化最剧烈的残余应力往往存在于工件表面或近表层，例如各种机械加工，包括喷丸强化，淬火和各种表面热处理、化学翅处理等等，这些工艺所产生的犬的残余应力，或者所引起的显着应力梯度，都集中于表层或次表层，当然与之相接壤的內部也会有相应的变化，只是效应是谨减的，变化是平缓

14、的.从另一甫度来说，各种承受弯曲或扭转底劳载荷的哮件在役状态总杲表向幕受最大的工作应力,唳劳源总是产主十接近表向的区域.这样看来，工件表层或次表层的残余应力状态是最值得关注的.所决，虽然X射线法测试的深度比较浅，却恰好与人们所关注的东西相适应.再辅以适当深度的电解剥层，测定应力沿层深的分布，对于研究和解决间题更加行之有效.因此X射线应力测定已成为弹簧、轴承、轧辗、齿轮等等行业质量控制必不可少的手段.对于一些犬型钢结构或焊接件,人们关心残余应力出于构件可能因残余应力导致变形与开裂的考虑.诚然,在这种情况下，除了构件表面应力状态以外，其內部应力也杲菲常重要的因素.可惜我们没有比较现实的测壘工件內耕

15、应力的亦法.纵然是使用比较普遍的盲孔法，钻孔深度达到1.5nmi,对于犬型工件来仍然算是表面应力，况且有些构件也不允许在表面打孔.还有，盲孑L法没有对于同一点没有重复测重的可能.例如要测定构件振动时議前石的应力变化，实际上盲孔法是无法做到的.固然我们可以选择相邻近的点，或从物理上分析可能等皴点的测试结果作振动处理前后的对比，但是实验表明应力分布的情况往往是比较复杂的，特别是焊缝区域，应力分布梯度很大，起伏难以预料，这样作对比大多并不可靠.惟有中子衍射法可以测定內部应力，但是这需要十分庞丈而昂蛊的原子反应堆或加速器，目前远未达到实际应用的目标.那么间题就无解决了吗？实践证明X射线法还是能够解决这

16、个间题的首先，钢结构或焊接件的残余应力并菲表面效应，往往应力沿层深的变化并不剧烈.即便是焊接应力，也是沿着垂直于焊缝的方向，从焊缝中心到熔合线，再到热戢响冈，应力梯度很大，而在层深方向上，除了极表面，沿层深应力梯度并不一宦很大.这样只要认真做好测试点.的表面处理，去除因敲击、磕碰或打磨等人为因素带来的附加应力，就可以准确测定构件表面存在的真实应力，在层深应力梯度不犬的情况下,它就可以代表构件这个点的应力。而且用X射线衍射法测定，可以缩小测试点的大小，以适应应力分布梯度比较大的情况，比较客观地反映平行和垂直于焊缝两个方向的残余应力的分布状况.多年限来国內外大量实验证明，这种测试方法的测试结果不但

17、自身具有很好的规律性，而且与理论分析、有限元法计算都有很好的一致性，并在工程应用中取得卓著成果.测量原理基于X射线街射理论当一束具育一定波长丄的X射线照射到多晶体上吋.会在一定的甬度20上接收到反射的?（射线强度扱大值（即所谓衍射峰+这便是X射线衍射现蜃（如左图所示）.X射銭的波长；I、衍射晶面间跑麻衍射角26之间遵从著名的布拉格定律：SdSinO=nA（11=1,2,3）在己知茂射线波长a的条件下.布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力疔存在吋.其晶面间距（I必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化.按照布拉格定律.釘射角20也会相应改娈。因此我

18、I门育可能通过测量衍射角20随晶面取冋不同而发主的娈化来求得应力疔。关干X射线应力测爼原理还可以作如下进一歩的解释：处所周划.封于晶粒不和火、无织构的姿開材料來说.柱柬X朮腮轴范也内便有许许叢彩个馬粒.其中掘有许爭晶粒其指定的1沙晶而平苛于试样农面，晶血袪蜒与表面法域集舫甲为鸟也必有许多晶粒其（hkD胡面法级与表而法蜿成杠:直的中*沖先.如图A所示.臥试样表面栗点3点）汕纱为轴将-束适芍波&的X此和探测器（计数怦）对称地折向该点O-井同步他相闻扫描改麦入射仰和反射#1。根按布拉格宦怡.可以找到平行于试样喪面的（hkD晶面的衍射峰利对应的衍射肋0这牛1I1X比康和计散诗轴线馆成时平面称作扌I播平

19、面.祈射M而的袪线必金扌I揃平面内并居于Xjt束科计載管轴线二者烯平分議的付咒上.让我幻记住*此时扫描T-ifEi试样展商匪直衍射品曲与述样我面平行.眇=0（如图R）*榕后.打锚甲血以图A中直红0为轴轧过一个9角（tJiyO.同样也可以得晶商的衍射峰和对应的衍射和20,这时“衍射結面法线打试样我血法线先和为V（:如圈D、在无应力状态卜，对F同一族品面（1打來说，无论它居阿方位，141无论中角等于何值*晶面间距dJ勺相爭:根据布拉格定阻相应的衍射轴2Q也应桶筲.当有应力ff在时，忡如沿图中OX方向样在拉应力则中行丁谡面即w=O）的（hkL）tLrifi（b其伺即H会凶泊松比的关采而縮小（见图B）

20、：前新甲和的増大”品血何趾d会同拉应力的柞用而增大（见RfO、V晁相应的射肘角20也豁随送凶变按照亦拉恪定律H变小，则2变大；d变大、则2。变小显熾2。葩甲角坐优时怎缓程度与应力巾犬小密切脚JC対于倂向同性的芬晶枇料，业平阿应力状呪厂低据附拉尿宦律利怦件理论可以寻出，应Jj世o1H比T20BfiSinu*变化的斜率M即灯=K*M52D式中K期应力常JR,EitK=-CtgUd2（1+|ISO式中E为畅氏模;it口为泊松比.釦为无应力狀态的和拉格f对于折屯材料.KffMl旦从蚩料中金出威通过实強求tlh送样.测宜应*的实质网迦就变成了这址廿干v伯测宅対应的衍対如213*X-350AXm应力测宝仪

21、|叮WEl叨兄成测址片納出处终结果和枭些何忻值的物理螫救.?wm亠強曲氷聊站啤曲兀関蚀阐洽血弔帖卿卿很。內事闸蒯冋呻网伯诉冰卸V糯戏馆二炉业別嘯张狂回立刹站哥VII耐凋旳浪谆划乍则轴老乳JM叮阳魁聶两书说年荒岳刖阿中册巒凑华卉備柚好训隔旳丁方彌碍沖疇H用卿梯附謀出丄攀瞄型H乜带朋炉飆不商”一網击加期甲事II參舸册滋竊酣奸1館弭聒述爲旳開谕一冊嫌财普帥旳黑右蓉丿脚曲:|笛牯靭馬闰卿事贞叨则出耐嫌初御顶旧*時卿闭虽舸由耶訓仍4-vTrit亠则片皿科列溶叩逊附谢=姿修割血rh車凰曹朋姐旃辺.廉占巾旅器勒習说聊咙旳知。血*劝舛闻老.旗Zf：7甲jyi小帝勒Od-Y阿7血和那酣询即也涎科爺中坯珂胖酣朝麻

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25、即怦朗賤？r初爭卑曲期尉如即輛憨谨护码w右鬲轆p?i训半邯o山v空曲国片旧-齐Sh車闸吐淋rh理阐师爭血用弓蚪阎酣IF埔财为耶瞄1：科*严卯耶-号蜩攀黛EH囲陆黑那谨益S川阳黑同阿序凡可嗨郞巾：i#兀輕帶曹辭问阪甬MHr期用谨孙地则即熹0巾車国吐畢山車画釆用T命据达址雌.畏求设毎足第宽的扫描范1忆以保证痔到曲线的前后背底.数据处理丛仃英测;鸟时叙述町期,X射践險力梢疋的天犍於卅确测疋对应于卄卩中如的衍射殖2D黙而仪器侃接测徘的是衍射强於【沿按2Q的价和曲线即斫谓陌射*K住计鼻机控制闊歩进扌1描或他用忖墩探测器的帖呪卜，宜接测得的肚1-2。耶标系中的一龍列W那么如何山这些点求岀满足和拉桥足卅附衍

26、卵用2II呢？这就址疋峰问题这足数抓处理叩头等匝耍的坏.而宜邯之询胚仃背底处理、强度陶子桧止，扯婶Z后则嗨进行庙丿J備讣弾从谋斥分析*背底处理衍肘峰的背底是一也与測机所用的布拉格衍射无关的因素造虑的扣除背虑是提高定峰和应力测讹椎确性的必要步驟之一.研究表明.背底是条起伏平耀的曲戟,通常都倾向于把它为作条宜线对特.实验证明览样的逬似处理对于现行的淮聊度嘤眾*说是吋行的*为扣除柠底，诃先竖仃理选収扌1描包始州和终止亀便衍射曲线两堆都川现一段冇底,遠要求操作若观秦曲线的曲率变在仪器的伙件中扣除背底的做法通常最这样的：圧曲线的诃后肯底1从端盘开始.旌缴地各联打干牛点：将这送些点按加小乘法拟件成条世红：

27、接卄将所测禅的衍射峰齐点的讣数减去谨点对应的背底强度.即得到一乘无背底的忻射曲驟5下图所示)-颈度因子校正根抓x射找衍射强度理论打按受巾2。及中角杠关的理惟闵f包需洛伦殛-偏振闵rLP(2)、吸收因子A(2中)吐駁加子散射因数f(Sinti/X)、溢度凶子多皿等。为f託确求得仅与品面可有关的衍射询2日，宓须进行强度因子较正这是提高定峰和应力测定准确件附乂一磁烬步骤.计篦缶I儿在应力测址用到的2。范M以内.原予锻时阖数和謂度闵中随20变化很讎小”可以翘略金计；血洛伦魏-偏掘Nf-LP20)尽竹牌响幷位，卸与中无光，所以在应力测左中也町以小加占虑：迄样.出要的就是吸收11PA(2fty).所以仪器

28、住实打同铀法EM蒯入吸收渕子檢iE如呆仪甜以侧阅固宦中法为主这种方迭的特点能吸收同f怛等于1则无需进行吸收楼正.半高宽法定悻民X射线衍射分析技术发展过程中.先斤妙成几种野制公认的建蠅方法,我中-种叫做券術宽法.它把扣除H底的衍肘峥址人强懂的辿怖宽中点所对应的20作为峰检d仗器tfl：依倔的敌学桂熨如卜图所示.丄娶点亲把绅高3070%(此比恻儁螫曹)的两个“邮腮”部分当作直践,井用报小二桑法加以拟合j在峰值退度1/2雉柞中行F戟坐标的1俩鏡与越种条师吧口线和交：然后观艸个空点之间吸中，这个中点的横坐标值即是所求的邮位在仪器的软件中.I述的榔i强度亦II：的随机的城大值,而是峰顶拟化抛物线顶点的高

29、度.这样町以减少随机谋羔。典十抛物线權倍.下丽就业介绍抛物线法抛物眩堆把衍肘衅顶那増业强度E0鳴以I:他为)的壮.川川小：乘认必沖贱傑抛樹线以抛榭线的顶成的邱哋标伯杵为幷俺的盅师方也(如卜用圏所不).匠心汕是种叱较简单的定样方汕，它蔽说和対圳的好tri20%8D%Z创的沛爪觀2视为月闭的儿柯图隠.站酬物理学的观念求川这牛儿训图脳們逼右.刪廉右所对应的魏便处砸心法林位*交嗣I矣也(Cross-correlationmethod)处八卜年牝堤出來的山F这种力汉.汕及人秋的、故ft耀腹大的计算工作在计算机应用未能普&的年J1是无袪推广的-确朝地说.愛郴貝法计sni的乩賦于不同崩的衔肘林位之富正是屁力

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31、2&+A20）的倉真足把蓝色曲线整怵下蓿恵RiA2o=OH，即红谥阿曲线不作偏移，F八輕）未壘是址大的.除菲用力酣零、红祇两曲线碎位完令亚舍；当吐恰零皿蓝两曲线筑位之怎（我们飲求的雌位移）时即人九地便红腋两湖线喘位完全重仃.F（A20）必是讪人值.反过來说.从上式出扯，从1E到鱼.连琲比变也得到一抿交桶关fififiF（428）分布曲蛻（如图中潔灯色小方块组城的曲.燃后利用验小二乘注将这个分個朋线的顶部邯二抉拟佇*便町求IU谀曲线機大ffi所対应的棚坐标值A2o我们款求的峰位应力值计葬对于各向同性的多昴材料,在平面应力状况T他期布担格定律和弹性理请可以导岀,应力值Q正比2RtiSin2甲变化的斛率M,即n=*M32CM=-&Sin3T式中K为向力常数用此前计算出的齐中角的帰碰2e和sin5值,采取豪小:乘法町计算出料率M：再乘以应为當数K.即得应力値巾（MPa）误差分析在用峰也利Sin?甲值采取堆小二乘法计斑琳事M时存在一个拟合就差问題.理论上2取和Sin2中就比线烁、然而樟试所得的点9山它们拟介而威的|7线Z側，总会冇哑k威小的偏斥。应力溟并人口即反映了拟介残总的人小备卜面左图拟件般斥较小而右图拟舍甦益絞大.占口=KiM式中AM2X3inEfl纯魁率的讪并*这里仃两种怙况：任材料中确实无织拘的惜况卜一.A