残余应力测定的基本知识_第四讲X射线应力测定方法_三_吕克茂
残余应力测量方法
残余应力是指材料内部或表面存在的不平衡力，它可以对材料的性能和可靠性产生重要影响。
以下是几种常见的残余应力测量方法：
1.X射线衍射法（X-ray Diffraction, XRD）：这是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量
材料中晶体结构的畸变来间接计算残余应力。
X射线经过材料后会发生衍射，根据衍射角度的变化可以推断出残余应力的大小和方向。
2.中子衍射法（Neutron Diffraction）：类似于X射线衍射法，中子衍射法也是通过测量材
料晶体结构的畸变来确定残余应力。
相比X射线，中子具有更好的穿透能力，因此可以深入材料内部进行测量，适用于非金属材料的残余应力分析。
3.压电法（Piezoelectric Method）：利用材料的压电效应来测量残余应力。
该方法通过将
压电传感器固定在被测物体上，然后施加外力引起压电传感器的形变，根据形变量的变化推断出残余应力的大小。
4.高斯法（Hole Drilling Method）：这是一种常用的局部测量方法，适用于金属材料。
该
方法通过在被测物体上钻一个小孔，然后测量孔周围的表面应变的变化来计算残余应力。
5.激光干涉法（Laser Interferometry）：利用激光的干涉原理来测量表面的微小位移，从
而推断出残余应力的分布情况。
激光干涉法可以提供高精度的残余应力测量结果。
需要注意的是，不同的测量方法适用于不同类型的材料和应力状态，选择合适的方法取决于具体的应用需求和材料特性。
在进行残余应力测量时，应根据实际情况综合考虑各种因素，并采取适当的措施以确保测量结果的准确性和可靠性。
x射线衍射测定表面残余应力的基本原理
x射线衍射测定表面残余应力的基本原理
X射线衍射是一种常用的非破坏性分析方法，可用于测定材料内部的残余应力。
其基本原理是利用X射线在晶体中发生衍射现象来获取有关晶体结构的信息。
当入射X射线照射到晶体表面时，其中的晶粒会发生散射。
这个散射过程中，
X射线会与晶体中的原子相互作用，导致X射线改变方向。
这种改变方向的现象
称为衍射，衍射的角度和晶体的结构以及晶格参数密切相关。
X射线衍射测定表面残余应力的原理是利用晶体中晶面的平面间距与入射X射线的衍射角度之间的关系。
当晶体受到残余应力的影响时，晶面的平面间距会发生改变。
这种改变会导致入射X射线的衍射角度产生相应的偏移。
通过测量衍射角
度的改变，可以反推出材料中的残余应力大小和分布情况。
为了获得准确的残余应力测量结果，需要选择合适的晶体材料和衍射仪器。
常
用的晶体材料包括钼、铜和钨等。
衍射仪器通常采用X射线源、衍射仪器和探测
器组成，可以实现对入射X射线的发射和检测。
测量过程中，需要准确控制入射
角度和衍射角度，并进行有效的数据分析和处理。
X射线衍射测定表面残余应力的基本原理可应用于材料工程、金属加工、航空
航天等领域，有助于了解材料的力学性能和结构变化。
通过这种非破坏性的分析方法，可以提高材料的质量控制和设计优化，从而提升产品的可靠性和性能。
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESSX射线衍射方法测量残余应力的原理与方法什么是残余应力？外力撤除后在材料部残留的应力就是残余应力。
但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。
两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。
微观应力是指晶粒部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。
这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。
通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。
宏观应力是指存在于多个晶体尺度围的应力，相对于微观应力存在的围而视为宏观上存在的应力。
一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。
宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。
当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。
通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。
X射线衍射法测量残余应力的发展X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。
20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。
后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。
1961年德国的E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。
X射线衍射法测量残余应力的基本原理Ｘ射线衍射测量残余应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得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。
其基本原理是：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。
用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。
Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的应力σφ。
x射线衍射法测残余应力
x射线衍射法测残余应力x射线衍射法是一种常用的测量材料中残余应力的方法。
残余应力是指在材料内部存在的无外力作用下的应力状态。
x射线衍射法通过观察材料晶体的衍射图样，可以间接获得材料中的残余应力信息。
在材料制备和加工过程中，常常会产生各种类型的应力，如热应力、机械应力等。
这些应力可能会导致材料的性能下降甚至失效。
因此，了解材料中的残余应力分布情况对于材料的设计和使用具有重要意义。
x射线衍射法测量残余应力的原理是基于布拉格衍射定律。
根据布拉格衍射定律，当x射线入射到晶体上时，会与晶体中的原子产生相互作用，形成衍射峰。
这些衍射峰的位置和强度与晶体中的晶格常数、晶体结构以及晶体内部的应力状态有关。
x射线衍射实验通常使用x射线衍射仪进行。
首先，将待测材料制备成适当的样品，通常为薄片或者粉末。
然后，将样品放置在x射线衍射仪的样品台上，调整x射线的入射角度和入射波长，使得x 射线与样品发生衍射。
通过观察和分析衍射图样，可以得到一些重要的信息。
首先，衍射峰的位置可以计算出晶格常数，从而了解材料的晶体结构。
其次，衍射峰的宽度可以反映出材料中的残余应力大小。
在材料中存在应力时，晶体中的晶面会发生畸变，从而导致衍射峰的展宽。
根据衍射峰的形状和宽度，可以计算出材料中的残余应力大小和分布情况。
x射线衍射法测量残余应力具有许多优点。
首先，它是一种非破坏性的测量方法，可以对样品进行多次测量，而不会对样品的性能和结构造成损害。
其次，x射线衍射法可以测量材料中的残余应力分布情况，而不仅仅是某一个点的应力值。
这对于了解材料的应力状态以及应力的来源具有重要意义。
然而，x射线衍射法也存在一些限制。
首先，它只能测量具有晶体结构的材料，无法对非晶态材料进行测量。
其次，x射线衍射法对于样品的制备要求较高，需要将样品制备成适当的形状和尺寸，并且表面应该光滑且无缺陷。
此外，x射线衍射法对于测量环境的稳定性要求较高，温度和湿度的变化都会对测量结果产生影响。
X射线残余应力测定
X 射线残余应力测定一、材料中内应力的分类1、引言当产生应力的因素不存在时（如外力去除、温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑性变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化），致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称为残余应力，或内应力。
一方面，残余应力可能对材料疲劳强度及尺寸稳定性等均成不利的影响。
另一方面，为了改善材料的表层性能（如提高疲劳强度），有时要在材料表面还要引入压应力（如表面喷丸）。
当多晶材料中存在内应力时，必然还存在内应变与之对应，导致其内部结构（原子间相对位置）发生变化。
从而在X 射线衍射谱线上有所反映，通过分析这些衍射信息，就可以实现内应力的测量。
2、内应力的分类材料中内应力可分为三大类。
第I 类应力，应力的平衡范围为宏观尺寸，一般是引起X 射线谱线位移。
第II 类内应力，应力的平衡范围为晶粒尺寸，一般是造成衍射谱线展宽。
第III 类应力，应力的平衡范围为单位晶胞，一般是导致衍射强度下降。
由于第I 类内应力的作用与平衡范围较大，属于远程内应力，应力释放后必然要造成材料宏观尺寸的改变。
第II 类及第III 类应力的作用与平衡范围较小，属于短程内应力，应力释放后不会造成材料宏观尺寸的改变。
在通常情况下，这三类应力共存与材料的内部。
因此其X 射线衍射谱线会同时发生位移、宽化及强度降低的效应。
A、第I类内应力材料中第I 类内应力属于宏观应力，其作用与平衡范围为宏观尺寸，此范围包含了无数个小晶粒。
在X 射线辐照区域内，各小晶粒所承受内应力差别不大，但不同取向晶粒中同族晶面间距则存在一定差异。
当材料中存在单向拉应力时，平行于应力方向的（hkl ）晶面间距收缩减小（衍射角增大），同时垂直于应力方向的同族晶面间距拉伸增大（衍射角减小），其它方向的同族晶面间距及衍射角则处于中间。
当材料中存在压应力时，其晶面间距及衍射角的变化与拉应力相反。
材料中宏观应力越大，不同方位同族晶面间距或衍射角之差异就越明显，这是测量宏观应力的理论基础。
无损检测技术中的残余应力测量与分析方法剖析
无损检测技术中的残余应力测量与分析方法剖析残余应力是指在物体内部存在的，由于外部加载和热应变引起的应力状态。
残余应力的存在对材料的性能和稳定性有着重要影响，因此在工程领域中需要对其进行准确测量和分析。
无损检测技术在残余应力测量与分析中起到了重要的作用，本文将对无损检测技术中的残余应力测量与分析方法进行剖析。
一、X射线衍射法X射线衍射（XRD）技术是一种常用的测量材料残余应力的方法。
该方法通过分析材料中晶体的衍射图谱来确定其残余应力。
当材料发生应力时，晶格的排列会发生变化，从而引起X射线的衍射角度的变化。
通过测量和分析这种变化，可以得到材料的残余应力信息。
XRD技术具有测量范围广、准确性高、可重复性好等优点。
对于单晶材料，XRD技术能够直接测量晶体中的残余应力，精度较高。
而对于多晶材料，则需要通过倾角扫描或者称为θ-2θ扫描，来获得材料中的残余应力信息。
不过，XRD技术对于非晶态材料的测量精度较低。
二、中子衍射法中子衍射（ND）技术是一种利用中子进行测量的方法，可用于测量材料的残余应力。
中子的波长大约为0.1-1.0纳米，相较于X射线而言，中子的波长更适合用于测量晶体结构。
中子与材料作用时，受到材料中的晶格排列和残余应力的影响，从而产生衍射。
中子衍射技术具有穿透性强、对非晶态材料测量精度高等优点。
相较于XRD技术，中子衍射技术在测量多晶材料的残余应力时精度更高，适用范围更广。
不过，中子衍射技术的设备成本较高，且实验条件要求较为苛刻。
三、位错法位错法是一种基于物理模型的测量残余应力的方法。
位错是材料晶体结构中的缺陷，它们是材料中形成应力的主要机制之一。
位错法通过测量材料中位错的密度和分布来推导残余应力。
位错法具有非常高的空间分辨率和准确性，适用于各种材料的残余应力测量。
位错法可以通过电子显微镜和X射线繁切分析仪等设备进行实施。
但是，位错法需要对材料进行特殊制备和取样，且实验条件更为复杂。
四、光弹法光弹法是一种基于光学和力学原理的测量方法，通过测量光线透过或反射于材料表面时产生的应力光学效应来推断残余应力。
残余应力检测方法
残余应力检测方法残余应力是指在物体内部或表面上存在的一种内部应力状态。
残余应力的存在对材料的性能和使用寿命都有很大的影响，因此对残余应力的检测和分析显得尤为重要。
下面将介绍几种常用的残余应力检测方法。
首先，X射线衍射方法是一种常用的残余应力检测方法。
通过对材料表面或内部进行X射线照射，然后观察X射线的衍射图样，可以得到材料的晶格参数，从而计算出残余应力的大小和方向。
这种方法具有非破坏性、快速、准确的特点，因此在工程实践中得到了广泛的应用。
其次，光弹法也是一种常见的残余应力检测方法。
通过在材料表面或内部施加一定的载荷，观察材料的形变情况，再结合材料的弹性参数，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
这种方法适用于各种材料，尤其对于复杂形状和大尺寸的工件也有很好的适用性。
此外，声发射方法也可以用于残余应力的检测。
当材料内部存在应力时，会引起微裂纹的扩展和移动，产生声波信号。
通过对这些声波信号的监测和分析，可以得到材料内部残余应力的信息。
这种方法对于复杂结构和高温环境下的残余应力检测具有独特的优势。
最后，磁性方法也是一种常用的残余应力检测方法。
当材料内部存在应力时，会对材料的磁性产生影响，通过对磁性信号的监测和分析，可以得到材料内部残余应力的信息。
这种方法适用性广泛，可以用于各种金属材料的残余应力检测。
总的来说，残余应力的检测对材料的质量控制和工程结构的安全性具有重要意义。
以上介绍的几种方法都具有各自的特点和适用范围，可以根据具体的情况选择合适的方法进行残余应力的检测和分析。
希望以上内容对残余应力检测方法有所帮助。
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法X 射线衍射方法测量残余应力的原理与方法射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESSXRD 2009-01-10 21:07:39 阅读 616 评论 2 字号：大中小X 射线衍射方法测量残余应力的原理与方法什么是残余应力？外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。
但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。
两种应力在 X 射线衍射谱中的表现是不相同的。
微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。
这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。
通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。
宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。
一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。
宏观残余应力（以下称残余应力） X 射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。
在当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。
通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。
1/ 12X 射线衍射法测量残余应力的发展 X 射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。
20 世纪初，人们就已经开始利用 X 射线来测定晶体的应力。
后来日本成功设计出的 X 射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。
1961 年德国的---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ E.Mchearauch 提出了 X 射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。
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LÜKe-mao
(Handan Str ess Technolo gies Co. L td. , Handan 056000 , China)
斜率 M j (操作方法与测定应力相同):
n
n
n
∑ ∑ ∑ 2θi
sin2 Χi - n (2θi sin2 Χi)
M j = i =1
i =1
i =1
n
n
∑ ∑ ( sin2 Χi)2 - n sin4 Χi
i =1
i =1
(18)
式中 n 为测定斜率选用 Χ角的数目 。 测试点应当
确定在梁的中心线上远离边界条件的某一点 , 应力
5 辐射 、衍射晶面与应力常数
5. 1 辐射和滤波片
X 射线管发射的 X 射线分为连续谱线和标识
谱线(图 19)。 X 射线衍射分析使用标识谱线 。 当
X 射线管电压达到并超过靶材的激发电压 V K 时 , 来自阴极的高速电子具有了充分的动能 , 能够撞出
靶原子内层(例如 K 层)电子而产生空穴 , 原子处于
理化检验 - 物理分册
专题讲座
P T CA (PA RT :A PH YS. T ES T . )
2007 年 第 43 卷 9
残余应力测定的基本知识
———第四讲 X 射线应力测定方法(三)
吕克茂
(邯郸爱斯特应力技术研究所 , 邯 郸 056000) 中图分类号 :T G 115. 22+2. 2 文献标识码 :A 文章编号 :1001-4012(2007)09-0462-07
(b) 等强度梁加载装置 图 21 等强度梁及加载装置 Fig. 21 T he equa tion intensity g ir der and lo ad equipment
测定应力常数的方法是 :给等强度梁施加一系
列不同的载荷 P j , 在每个载荷下 , 分别用 X 射线应
力测定仪在等强度梁上测定衍射角 2θ对 sin2 Χ的
46 2
图 19 钼靶 X 射线的谱线 Fig. 19 T he spectrum curve of X-ray using
molybdenum targ et
靶原子 K 层出现空穴而 产生的 X 射线叫 K 系谱 线, L 层电子跃迁到 K 层空穴所产生的 X 射线叫 K α辐射 , M 层电子跃迁到 K 层空穴所产生的 X 射 线叫 K β 辐射(图 19)。 所以 , 选择不同波长的辐射 就是选 用不同靶材的 X 射 线管 , 或 同一靶的 不同 辐射 。
元素 原子序数
λK α
λKβ
Cr
24
0. 229 09
0. 208 487
Fe
26
0. 193 73
0. 175 66
Co
27
0. 179 02
0. 162 079
Cu
29
0. 154 18
0. 139 22
注 :1) 滤波后的 K α与 K β 强度比为 600 ∶1 。
材料
滤波片 原子序数 吸收缘 λK / nm
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吕克茂 :残余应力测定的基本知识 ———第四讲 X 射线应力测定方法(三)
得很低 , 小于此缘时 μm 突然增高 。 实际上 , 这是因
为波长等于吸收缘的入射 X 光所具有的能量 恰能
撞出被射物质原子内层电子 , 并引起电子跃迁 , 产生
二次 X 射线 , 故而被射物质对入射 X 射线显现出强
方向与中心线一致 。 假定测试点的残余应力为 σr ,
则载荷应力与残余应力的代数和 σpj +σr 应与 X 射
线应力测定所得的斜率 M j 成正比 , 即 :
σpj +σr = K M j
(19)
式中 K 为应力常数 。
一般表达为 :
σp = K M - σr
(20)
式中 σr 和 K 为未知数 。这是个直线方程 , K 为直
在选用 K α 辐射的情况下 , 为了突出其单色化 效果 , 提高衍射线的 峰背比 , 应设法滤除 K β 辐射 , 并降低连续谱线的强度 。为此就要在光路中加装滤 波片 。
滤波是吸收缘效应的巧妙利用 。 所谓吸收缘效 应 , 即在材料对 X 光的质量吸收系数 μm 随入射 X 光波长 λ而变化的曲线上有一个突变缘(如图 20 虚 线所示), 波长大于此缘时质量吸收系数 μm 已经变
关于理论计算 X 射线应力常数问题 , 前人曾提 出不同的假设和计算模型[ 3] 。 文献[ 3] 根据统计波 动理论 , 推导出多晶体的弹性常数应取按 Vio gt 和 Reuss 两种假设计算所得结果的几何平均 值 , 并在 附录中列出了常用金属材料 、一些陶瓷材料和硬质 合金的应力常数 , 被国内外同行普遍采用 。
在面临很弱的衍射峰时 , 为了使得应力测试结 果具有足够的可信度 , 就必须设法提高衍射强度 , 或 增大探测器累计的计数 。 因为计数越高 , 则它所包 含的相对误差就越小 。
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吕克茂 :残余应力测定的基本知识 ———第四讲 X 射线应力测定方法(三)
从另一个角度来说 , 衍射强度也带来了被测材
K α滤波后强度变化
厚度1) /m m
I /I0
V
23
0. 226 90
0. 016
0. 50
Mn
25
Fe
26
0. 189 64 0. 174 33
0. 016 0. 018
0. 46 0. 44
Ni
28
0. 148 80
0. 021
0. 40
5. 2 衍射晶面的选择
选择衍射晶面的根本依据是布拉格定律 :
E1 -
E2
=
hc λ
(14)
式中 c 为光速 。同一系(例如 K 系)标识谱线 , 其波 长 λ取决于靶材原子序数 Z , 它们之间的关系符合
莫塞莱定律 :
1 λ
= K(Z
-
σ)
(15)
式中 K 和 σ均为常数 。所谓标识谱线 , 其含义就在
于它的波长与靶材原子序数的一一对应的关系 。 因
收稿日期 :2007-08-11 作者简介 :吕克茂(1941 -), 男 , 高级工程师 。
6 测量条件的选择
6. 1 衍射强度问题与管电压 、管电流的选择 6. 1. 1 衍射强度问题
衍射强度指的是探测器在某个接收角上单位时 间内采集到的 X 光子数 , 也就是探测器单位时间内 输出给计算机的脉冲数 。 衍射强度是随机变量 , 必 然带有随机误差 。 从仪器制造的角度 , 提高 X 射线 管电压 、电流的稳定度和探测器的稳定性 , 可以减小 衍射强度的随机波动 , 但是要想使它完全恒定是不 可能的 。
σp
=
B
6
0
L H2PFra bibliotek= GP
(17)
46 3
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式中 G 称作等强度 梁系数(这里提 供一个参考 尺 寸 :L =300 mm , B0 =50 m m , H =6 mm , 计算得 G =1) 。
(a) 等强度梁 主 、俯视图
5. 3 应力常数问题
应当指出 , 式(16)的 E 和 ν应是材料中指定相 、
指定晶面(hk l)应力应变关系的参量 。 在多数情况
下这里的 E 和 ν与机械法测得的多晶材料的 E 和 ν
在数值上有很大差别 。 而且一般材料的这些参量对
合金元素含量及组织结构不敏感 , 但是式(16)中的
E 和 ν不仅与晶面指数有关 , 而且与材料的成分 、塑 性变形历史以及热处理状态等因素有关[ 1] 。 所以如
料的金属物理信息 。 对于相同的材料 , 在相同的衍
射晶面和衍射几何条件下 , 一旦发觉衍射强度的明
显变化就应进行分 析 。 必要时再 配合使用其他 手
段 , 寻求材料内部组织结构的特性 , 以及它们对材料
X 射线应力测定常用辐射及滤波片的有关数据
Fig. 20 T he action of filtering patch
见表 1 。
表 1 不同 X 射线管所用的滤波片
T ab. 1 T he filtering pa tch fo r different X-ray tube
阳极靶
标识谱线波长 /nm
果要追求与载荷应力完全一致的残余应力值 , 可以
采取试验手段测定应力常数 。
为此 , 用与待测应力工件的材质工艺完全相同
的材料制作成等强度梁 , 如图 21a 所示 。 右端 V 型
槽处于两条斜边延长线的交点上 。图 21b 是等强度
梁加载装置示意图 。如果载荷为 P , 则等强度梁上
面的载荷应力 σp 按下式计算 :
激发状态 , 外层(例如 L 和 M 层)电子向空穴跃迁 ,
以使原子恢复常态 ;跃迁电子的能级之差以 X 光量 子的形态辐射出来 , 便是标识谱线 。 其频率 υ与能
级之差(E1 - E2 )成正比 , 即 :
E1 - E2 = hυ
式中 h 为普朗克常数 。
(13)
若用 X 射线波长 λ表达 , 则 :
线的斜率 。对式(20)求导 , 得 :
K = σp M
(21)
由一系列的载荷应力 σpj 和实测数据 M j , 用最 小二乘法可以求得应力常数 K :