X射线残余应力测定
x射线残余应力测试原理
x射线残余应力测试原理宝子们！今天咱们来唠唠这个超酷的X射线残余应力测试原理呀。
咱先得知道啥是残余应力呢。
就好比你捏一个小泥人儿，你捏的时候给它施加了各种力，就算你把手松开了，这个小泥人儿里面其实还留着你捏它时候的那些力的影响，这在材料里就叫做残余应力啦。
那这个X射线咋就能把这残余应力给找出来呢？X射线呀，它就像一个超级小的侦探。
当X射线照到材料上的时候，就会发生衍射现象。
这衍射呢，就好像是X射线在材料的原子晶格里面玩了一场超级有趣的弹珠游戏。
原子晶格就像是一个有规则排列的小格子，X射线这个小弹珠打进去，就会按照一定的角度弹出来。
这里面的学问可大了呢。
正常情况下，如果材料没有残余应力，那X射线弹出来的角度啊，强度啊，都是有一定规律的。
但是一旦有了残余应力，这个原子晶格就像是被调皮的小怪兽给挤歪了或者拉变形了。
这时候X射线再进去玩弹珠游戏，弹出来的角度和强度就会发生变化啦。
比如说，要是残余应力是拉应力，就好像把原子晶格给拉长了一点，那X射线弹出来的角度就会跟没有拉应力的时候不一样，可能会变得大一点或者小一点，就看这个拉应力是怎么个拉法喽。
同理，如果是压应力，把原子晶格给压得紧凑了些，X射线的衍射情况又会是另外一种变化。
科学家们就通过测量X射线衍射角度和强度的这些变化，然后用超级复杂的数学公式来计算出残余应力到底有多大。
这就像是根据小弹珠弹出来的奇怪轨迹，倒推这个弹珠游戏场地（原子晶格）被搞成啥样了，从而知道之前施加了什么样的残余应力。
你可别小看这个残余应力哦。
在很多地方它都特别重要呢。
就像在机械制造里面，如果零件有不合适的残余应力，可能这个零件在使用的时候就会莫名其妙地坏掉。
就像你穿了一双不合脚的鞋子，走几步就难受得不行。
通过X射线残余应力测试，就可以提前知道零件的状态，就像给零件做了一个超级细致的健康检查。
而且呀，在建筑材料里也是一样的道理。
要是建筑材料里面残余应力没控制好，那建筑物可能就会有安全隐患呢。
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。
残余应力无损检测方法
残余应力无损检测方法嘿，你知道不？残余应力那可是个大问题呢！无损检测方法就像个超级侦探，能在不破坏材料的情况下找出残余应力。
那咱就说说这神奇的无损检测方法吧！首先，X 射线衍射法就超厉害。
把材料放在那，X 射线一照，就像医生给病人拍片子似的，能看出材料内部的残余应力分布。
步骤嘛，就是调整好设备，让X 射线准确地照射到材料上，然后分析反射回来的X 射线信号。
这多牛啊！注意事项呢，可得小心操作设备，别让X 射线伤着自己。
那安全性咋样？放心吧，只要按规定操作，那是妥妥的安全。
稳定性也没得说，每次检测结果都挺靠谱。
这种方法适合检测各种金属材料，优势就是准确、快速。
比如说在航空航天领域，那飞机零件的残余应力检测可离不开它。
检测得准，飞机飞得才安心嘛！再说说超声检测法。
这就像用超声波给材料做体检。
把探头放在材料上，超声波在材料里传播，通过分析超声波的变化就能知道残余应力的情况。
步骤简单，放好探头，启动设备就行。
注意别把探头弄坏了。
安全性那是杠杠的，超声波又不会伤人。
稳定性也不错，检测结果比较稳定。
这种方法应用场景可广了，汽车制造、机械加工都能用。
优势就是方便、快捷，可以在生产线上直接检测。
这不就像有个随时待命的小助手嘛！还有磁测法呢！就像用魔法探测材料的残余应力。
通过测量材料的磁性变化来判断残余应力。
步骤不难，把仪器靠近材料就行。
注意别让磁场干扰其他设备。
安全性好得很，没啥危险。
稳定性也还行。
在钢结构检测中很管用。
优势就是可以快速检测大面积的材料。
哇塞，这多厉害！总之，残余应力无损检测方法那是超级棒！各种方法都有自己的优势和应用场景。
在实际生产中，根据不同的需求选择合适的方法，就能让我们的产品更安全、更可靠。
这难道不是超赞的事情吗？咱可一定要重视残余应力检测，让我们的生活更美好！。
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射线应力测定
ctg 0 0
在试样的应力状态一定的情况下，ε3不随ψ而变，故对sin2ψ求导 可得：
E
sin 3
E 2 ctg 0 21 sin 2
15
平面应力测定原理
上式中的2θ以弧度为单位。当以度为单位时，上式则为 E 2 16 ctg 0 2 21 180 sin 如令 ， E 2 K1 ctg 0 M 21 180 sin 2 则 σФ = K1M 17 式中K1为应力常数；M为2θ对sin2ψ的斜率，是计算应力的 核心因子，是表达弹性应变的参量。应力常数K1，随被测材 料、选用晶面和所用辐射而变化，表4-5中列入了部份材料的 K1值。由此可见（17）是虎克定律在X射线应力测量中的特殊 表达式，也是残余应力测定的最基本的公式。
一般情况下，材料的应力状态并非是单轴 应力那么简单，在其内部单元体通常处于 三轴应力状态。由于X射线只能照射深度 10-30μm左右的表层，所以X射线法测定 的是表面二维的平面应力。 根据弹性力学，在一个受力的物体内可以 任选一个单元体，应力在单元体的各个方 向上可以分解为正应力和切应力。
平面应力测定原理
X射线应力仪
X射线应力仪的结构示意图如 图4-9，其核心部份为测角仪。 应力仪的测角仪为立式，测角 仪上装有可绕试件转动的X射 线管和计数管（即辐射探测 器）。 通过ψ0调节使X射线管转动， 以改变入射线的方向。从X射 线管1发出的X射线，经入射光 阑2照到位于试样台3的试件4 上，衍射线则通过接收光阑5 进入计数管6。计数管在测角 仪圆上的扫描速度可以选择, 扫描范围为110~170°。
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。
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。
上述规律适用于单向应力、平面应力以及三维应力的情况。
B、第II类内应力第II内应力是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶粒尺寸数量级。
在X射线的辐照区域内，有的晶粒受拉应力，有的则受压应力。
不同取向晶粒中同族晶面间距差异不大。
各晶粒的同族(hkl)晶面具有一系列不同的晶面间距 dhkl±Δd值。
X射线应力测定分析
X射线应力测定
金属材料及其制品在冷、热加工（如切削、装配、 冷拉、冷轧、喷丸、铸造、锻造、热处理、电镀 等）过程中，常常产生残余应力。残余应力对制 品的疲劳强度、抗应力腐蚀疲劳、尺寸稳定性和 使用寿命有着直接的影响。
研究和测定材料中的宏观残余应力有巨大的实际 意义，例如可以通过应力测定检查消除应力的各 种工艺的效果；可以通过应力测定间接检查一些 表面处理的效果；可以预测零件疲劳强度的贮备 等等。因此研究和测定材料中的宏观残余应力在 评价材料强度、控制加工工艺、检验产品质量、 分析破坏事故等方面是有力的手段
测定残余应力的方法有电阻应变片法、机械引伸仪法、小孔 松弛法、超声波、光弹性复膜法和X射线法等。但是用X射线 测定残余应力有以下优点：
1.X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法。 2.塑性变形时晶面间距并不变化，也就不会使衍射线位移，
因此，X射线法测定的是纯弹性应变。用其他方法测得的应变， 实际上是弹性应变和塑性应变之和，两者无法分辨。 3.X射线法可以测定1~2mm以内的很小范围内的应变，而其他 方法测定的应变，通常为20~30mm范围内的平均。 4.X射线法测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。 采用剥层的办法，可以测定应力沿层深的分布。 5.可以测量材料中的三类应力。
X射线残余应力测定原理
在诸多测定残余应力的方法中，除超声波法外， 其他方法的共同点都是测定应力作用下产生的 应变，再按虎克定律计算应力。X射线残余应 力测定方法也是一种间接方法，它是根据衍射 线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来 测定材料表层微小区域的应力。
单轴应力测定原理
在理想的多晶体材料中，晶粒 大小适中均匀，取向任意。当 无应力作用时各个晶粒同一 （HKL）晶面的间距不变，为d0。 当受到应力作用时，各个晶面 间距因其与应力轴的夹角和应 力大小而变化。上述分析可见， 在应力σy作用下与试样表面垂 直的晶面间距do扩张为dn。若 能测得该晶面间距的扩张量 Δd=dn-do，则应变εy=Δd/do， 根据弹性力学原理，应力为：
X射线衍射测定残余应力
机电工程学院电子课堂本栏目内容仅供教学参考，未得到作者同意不得用于其它目的第一章 X射线衍射分析§1-6宏观残余应力的测定残余应力的概念：残余应力是指当产生应力的各种因素不复存在时，由于形变，相变，温度或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。
按照应力平衡的范围分为三类：第一类内应力，在物体宏观体积范围内存在并平衡的应力，此类应力的释放将使物体的宏观尺寸发生变化。
这种应力又称为宏观应力。
材料加工变形（拔丝，轧制），热加工（铸造，焊接，热处理）等均会产生宏观内应力。
第二类内应力，在一些晶粒的范围内存在并平衡的应力。
第三类内应力，在若干原子范围内存在并平衡的应力。
通常把第二和第三两类内应力合称为“微观应力”。
下图是三类内应力的示意图，分别用sl,sll,slll表示。
构件中的宏观残余应力与其疲劳强度，抗应力腐蚀能力以及尺寸稳定性等有关，并直接影响其使用寿命。
如焊接构件中的残余应力会使其变形，因而应当予以消除。
而承受往复载荷的曲轴等零件在表面存在适当压应力又会提高其疲劳强度。
因此测定残余内应力对控制加工工艺，检查表面强化或消除应力工序的工艺效果有重要的实际意义。
测定宏观应力的方法很多，有电阻应变片法，小孔松弛法，超声波法，和X射线衍射法等等。
除了超声波法以外，其它方法的共同特点都是测定应力作用下产生的应变，再按弹性定律计算应力。
X射线衍射法具有无损，快速，可以测量小区域应力等特点，不足之处在于仅能测量二维应力，测量精度不十分高，在测定构件动态过程中的应力有一些困难。
1-4-1 X射线宏观应力测定的基本原理测量思路：金属材料一般都是多晶体，在单位体积中含有数量极大的，取向任意的晶粒，因此，从空间任意方向都能观察到任一选定的{hkl}晶面。
在无应力存在时，各晶（如下图所示）。
粒的同一{hkl}晶面族的面间距都为d当存在有平行于表面的张引力（如σφ）作用于该多晶体时，各个晶粒的晶面间距将发生程度不同的变化，与表面平行的{hkl)（ψ=0o）晶面间距会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{hkl)（ψ=90o）晶面间距将被拉长。
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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。
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。
上述规律适用于单向应力、平面应力以及三维应力的情况。
B、第II类内应力
第II内应力是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶粒尺寸数量级。
在X射线的辐照区域内，有的晶粒受拉应力，有的则受压应力。
不同取向晶粒中同族晶面间距差异不大。
各晶粒的同族(hkl)晶面具有一系列不同的晶面间距 dhkl±Δd值。
因此，在材料X射线衍射信息中，不同晶粒对应的同族晶面衍射谱线位置将彼此有所偏移。
各晶粒衍射线将合成一个在 2θhkl±Δ2θ范围内的宽化衍射谱线。
材料中第II类内应力(应变)越大，则X射线衍射谱线的宽度越大，据此来测量这类应力(应变)的大小。
必须指出的是，多相材料中的相间应力，从应力的作用与平衡范围上讲，应属于第II类应力的范畴。
然而，不同物相的衍射谱线互不重合，不但造成宽化效应，而且可能导致各物相的衍射谱线发生位移。
因此，其X射线衍射效应与宏观应力相类似，故又称为伪宏观应力，可利用宏观应力测量方法来评定这类应力。
C、第III类内应力
材料中第III类内应力也是一种微观应力，其作用与平衡范围为晶胞尺寸数量级，是原子之间的相互作用应力，例如晶体缺陷周围的应力场等。
根据衍射强度理论，当X射线照射到理想晶体材料上时，被周期性排列的原子所散射，各散射波的干涉作用，使得空间某方向上的散射波互相叠加，从而观测到很强的衍射线。
在第III类内应力的作用下，由于部分原子偏离其初始的平衡位置，破坏了晶体中原子的周期性排列，造成了各原子X射线散射波周相差的发生改变，散射波叠加值即衍射强度要比理想点阵的小。
这类内应力越大，则各原子偏离其平衡位置的距离越大，材料的X射线衍射强度越低。
由于该问题比较复杂，目前尚没有一种成熟方法，来准确测量材料中的第III类内应力。
二、宏观平面应力测定
1、测定原理
由于X射线穿透深度较浅(约10μm)，材料表面应力通常表现为二维应力状态，法线方向的应力(σz )为零。
图中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。
根据弹性力学的理论，应变εφψ可表示为
式中E及ν分别是材料的弹性模量及泊松比。