XRD宏观残余应力测定1
16宏观残余应力的测定
➢ 半高宽法
如图所示，适合峰形较明锐的衍射谱。
➢ 抛物线法
对于峰形漫散的衍射谱，将峰顶部位假定为抛物线 用测量的强度数据拟合，求最大强度Ip对应的衍射角 2θp 衍射峰位置。
根据 2dsinθ=λ → △d/d=-cotθ·△θ 因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面 的衍射线位移量△θ，即可计算出晶面间距的变化量 △d/d，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力 数值。
单轴应力测定原理
在拉应力y的作用下，正好与拉 伸方向垂直的试样中某晶粒的
（hkl）晶面，其晶面间距将由 d0扩张为d’n，则其应变为：
由弹性力学原理有： 这是宏观应力测定的基础公式。
5.3 宏观应力测定方法
宏观残余应力的测定方法
1、同倾法 2、侧倾法
同倾法
同倾法的衍射几 何特点是测量方 向平面与扫描平 面重合。
侧倾法
侧倾法的衍射几何 特点是测量方向平 面与扫描平面垂直。
5.4 X射线宏观应力测定中的一些问题
衍射的确定
X射线应力测定的特点和不足之处
用X射线测定残余应力有以下特点： ①是非破坏性试验方法。 ②测定的是弹性应变。 ③可以测定1～2mm以内的很小范围内的应变。 ④测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应
力。 ⑤可以测量材料中的三类应力。
X射线法的不足之处： ①测试设备费用昂贵； ②受穿透深度所限，只能无破坏地测表面应力，若
y
d d0
dn' d0 d0
根据弹性力学原理，其应力：
y
Ey
Ed d0
XRD宏观残余应力测定1
XRD衍射峰位置发生偏移 2dsinθ=Nλ 测量衍射峰偏移的多少 ∆θ 计算残余应力的大小
晶面间距随应力变化示意图
测定方法
• 采用 2ψ 法 采用sin • 计算公式为： 计算公式为：
• 其中
（半高宽法）确定衍射角2θ
• 计算K值
• 计算M值（最小二乘法）
• 计算应力σ=K.M
计算软件的简介
•
计算软件的简介
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计算软件的简介
•
注意事项
• 表面状态：试样采用化学或电解抛光，不 采用机械抛光
• 晶的优缺点及应用
• 优点：无损、可测表（界）面应力、可区分应 力类型、适用于块状试样 • 缺点：只对无粗晶和无织构的材料才有效、数 据的分散性强、不能测得动态瞬时应力 • 应用：检测强化效果，工件的失效分析，预测 工件的寿命，评价界面的结合能力等
XRD宏观残余应力测定 宏观残余应力测定
报告人：林建平 导师：王献辉教授
主要内容
• • • • • 残余应力定义 XRD测定原理 测定方法 残余应力计算软件的使用 测试方法的优缺点及用途
残余应力
定义：产生应力的各种外载荷（力、 温度等）去除后，在物体内依然存 在的应力 。
测定原理
残余应力 晶格畸变 晶面间距变化
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法之欧阳化创编
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法STRESSXRD 0110 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）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射线衍射测量残余内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。
机械加工状态对XRD测量残余应力的影响1-刘竞艳
3.2 残余应力计算结果
• 车削加工在样品表面形成了 -544.0MPa的压应力，表明样品经 过车床加工后表面所受的损伤最大 ，从而对样品残余应力测定的结果 影响最大。 • 在车削加工表面再次经过磨 削加工后样品表面存在-213.5MPa 的残余压应力，表面残余应力大幅 度减低。
不同加工状态表面残余应力的计算结果
• 采用X射线测定材料中残余应力，由于X射 线在金属中穿透深度很小（纯钛中约为6μm ） • 加工后样品表面残余应力全部为样品加工 所形成的。
• 经过抛光并表面腐蚀的样品则消除了表面 加工应力的影响。
3 实验结果
3.1加工状态对2θ扫描的影响
a： 车床加工； b： 磨床加工； c： 1000#砂纸磨光；d： 机械抛光； e： 金相腐蚀
XPS-AES连用仪
差热分析仪
材料分析中心简介
X射线衍射仪
高压釜腐蚀试验系统
低周疲劳试验机
高频疲劳试验机
电子万能材料试验机
开展的服务及检测能力
服务领域：化学化工；物理性能；电子电器；材料等 领域
开展检测服务及能力：
•材料拉伸、疲劳； •结构表征； •化学元素定量分析；
•金属材料腐蚀性能检测；
•微观组织分析； •表面界面分析；
中心人才团队及条件基础： 工业（稀有金属）产品质量控制和技术评价实验室 实验室面积3000平方米，固定资产3000万元，采 中国有色金属工业西北质量监督检验中心 用国内先进 LIMS管理系统，拥有国内、外先进仪器设 陕西省有色金属产品质量监督检验站 备 60多台套，科技人员42名，教授、高工11人，博士、 陕西省有色金属材料分析检测与评价中心 硕士19名。 业务范畴：金属材料及矿冶产品、 中心架构： 陕西省核工业用金属材料检测与评价服务平台 政府执法机关和企事业单位： 化学检测室 陕西省稀有金属材料安全评估与失效分析中心 分析检测与评价 物理检测室 钛及钛合金加工产品生产许可证检验机构实施单位 粉末专业检测组 鉴定检验 铜及铜合金加工产品生产许可证检验机构实施单位 腐蚀专业检测组 仲裁检验 产品质量认证 业务管理室 其他重要产品的委托检验
x射线衍射测量残余应力实验指导书
X射线衍射方法测量材料的残余应力一、实验目的与要求1.了解材料的制备过程及残余应力特点。
2.掌握X射线衍射（XRD）方法测量材料残余应力的实验原理和方法。
二、了解表面残余应力的概念、分类及测试方法种类, 掌握XRD仪器设备的操作过程。
三、实验基本原理和装置..1.X射线衍射测量残余应力原理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。
材料中内应力分为三大类。
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。
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, 一般导致衍射强度下降。
第II类及第III类内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, 我们测得是残余应力是指第一类残余应力。
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。
原理见图1。
由于X射线穿透深度很浅, 对于传统材料一般为几十微米, 因此可以认为材料表面薄层处于平面应力状态, 法线方向的应力(σz )为零。
当然更适用于薄膜材料的残余应力测量。
图1 x 射线衍射原理图图2中φ及ψ为空间任意方向OP 的两个方位角, εφψ 为材料沿OP 方向的弹性应变, σx 及σy 分别为x 及y 方向正应力。
宏观残余应力的测定(材料分析方法)
第六章宏观残余应力的测定一、物体内应力的产生与分类残余应力是一种内应力，内应力是指产生应力的各种因素不复存在时（如外加载荷去除、加工完成、温度已均匀、相变过程中止等），由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。
目前公认的内应力分类方法是1979年由德国的马克劳赫﹒E提出的，他将内应力按其平衡范围分为三类：）：在物体宏观体积内存在并平衡的内应力，此类应力的释放，第一类内应力（σⅠ会使物体的宏观体积或形状发生变化。
第一类内应力又称“宏观应力”或“残余应力”。
宏观应力的衍射效应是使衍射线位移。
图1（书上6-2）是宏观残余应力产生的实例。
一框架与置于其中的梁在焊接前无应力，当将梁的两端焊接在框架上后，梁受热升温，而框架基本上处于室温，梁冷却时，其收缩受框架的限制而受拉伸应力，框架两侧则受中心梁收缩的作用而被压缩，上下横梁则在弯曲应力的作用之下。
图1 宏观残余应力的产生（a）焊接前、b）焊接后））：在数个晶粒的范围内存在并平衡的内应力，其衍射效应主要第二类内应力（σⅡ是引起线形的变化。
在某些情况下，如在经受变形的双相合金中，各相处于不同的应力状态时，这种在晶粒间平衡的应力同时引起衍射线位移。
图2（书上6-3）表明第二类应力的产生，拉伸载荷作用在多晶体材料上，晶粒A、B上的平行线表示它们的滑移面，显然A晶粒处于易滑移方位，当载荷应力超过临界切应力将发生塑性变形，而晶粒B仅发生弹性变形，载荷去除后，晶粒B的变形要恢复，但晶粒A只发生部分恢复，它阻碍B的弹性收缩使其处于被拉伸的状态，A本身则被压缩，这种在晶粒间相互平衡的应力在X射线检测的体积内总是拉压成对的出现，且大小因晶粒间方位差不同而异，故引起衍射线的宽化。
图2 第二类应力的产生）：在若干原子范围内存在并平衡的应力，如各种晶体缺陷（空第三类内应力（σⅢ位、间隙原子、位错等）周围的应力场。
此类应力的存在使衍射强度降低。
通常把第二类和第三类应力称为“微观应力”。
x射线衍射方法测量残余应力的原理与方法(1)
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）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射线衍射测量残余内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内应力σφ。
xrd 应力测试原理
xrd 应力测试原理XRD 应力测试原理一、引言X射线衍射（X-Ray Diffraction，简称XRD）是一种广泛应用于材料科学领域的非破坏性测试方法，可以用来研究晶体结构、晶格常数、晶体取向和残余应力等信息。
本文将介绍XRD应力测试的原理和基本步骤。
二、XRD应力测试原理XRD应力测试是基于布拉格方程（Bragg's Law）的原理进行的。
布拉格方程描述了入射X射线与晶体晶面之间的相互作用关系。
当入射X射线与晶体晶面满足布拉格方程时，会发生共面干涉，产生衍射信号。
三、布拉格方程布拉格方程可以表示为：nλ = 2dsinθ其中，n为衍射级数，λ为入射X射线的波长，d为晶面间距，θ为衍射角。
四、应力引起的晶面间距变化晶体中的应力会引起晶面间距的变化。
根据胡克定律，应力与应变之间存在线性关系。
当晶体受到外力作用时，晶体中的原子会发生位移，导致晶面间距的变化。
因此，通过测量晶体中晶面间距的变化，可以间接推断出晶体中的应力信息。
五、应力测试步骤1. 样品准备：将待测试的样品切割成适当尺寸，并进行表面处理，以确保样品的表面光洁度和平整度。
2. 仪器调试：调整XRD仪器的参数，如入射角、发射角、入射深度等，以适应不同样品的测试需求。
3. 测量数据：通过XRD仪器发射X射线，并接收衍射信号。
记录衍射图谱，包括衍射角和相对强度。
4. 数据分析：根据布拉格方程，计算晶面间距，并绘制应力-晶面间距曲线。
5. 应力计算：根据已知晶体结构和材料参数，利用应力-晶面间距曲线，将晶面间距的变化转化为应力值。
六、应力测试的应用领域XRD应力测试在材料科学领域有广泛的应用。
主要应用于以下方面：1. 金属材料研究：通过测试金属材料中的残余应力，可以评估材料的强度、韧性和耐久性。
2. 薄膜应力测试：薄膜在制备过程中容易产生应力，通过XRD应力测试可以帮助优化薄膜的成长过程。
3. 焊接接头质量评估：焊接过程中产生的残余应力会对焊接接头的性能产生影响，通过XRD应力测试可以评估焊接接头的质量。
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计算软件的简介
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计算软件的简介
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注意事项
• 表面状态：试样采用化学或电解抛光，不 采用机械抛光
• 晶粒度：大小在30µm左右最好，不大于 100µm
主要的优缺点及应用
• 优点：无损、可测表（界）面应力、可区分应 力类型、适用于块状试样 • 缺点：只对无粗晶和无织构的材料才有效、数 据的分散性强、不能测得动态瞬时应力 • 应用：检测强化效果，工件的失效分析，预测 工件的寿命，评价界面的结合能力等
XRD衍射峰位置发生偏移 2dsinθ=Nλ 测量衍射峰偏移的多少 ∆θ 计算残余应力的大小
晶面间距随应力变化示意图
测定方法
• 采用 2ψ 法 采用sin • 计算公式为： 计算公式为：
• 其中
（半高宽法）确定衍射角2θ
• 计算K值
• 计算M值（最小二乘法）
• 计算应力σ=K.M
计算软件的简介ห้องสมุดไป่ตู้
XRD宏观残余应力测定 宏观残余应力测定
报告人：林建平 导师：王献辉教授
主要内容
• • • • • 残余应力定义 XRD测定原理 测定方法 残余应力计算软件的使用 测试方法的优缺点及用途
残余应力
定义：产生应力的各种外载荷（力、 温度等）去除后，在物体内依然存 在的应力 。
测定原理
残余应力 晶格畸变 晶面间距变化