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布魯克-殘余應(yīng)力的X射線(xiàn)衍射分析

閱讀:2539      發(fā)布時(shí)間:2020-8-4
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  殘余應(yīng)力對(duì)材料和部件的尺寸穩(wěn)定性,、抗應(yīng)力腐蝕、疲勞強(qiáng)度,、相變等性能有很大影響,。一般認(rèn)為壓應(yīng)力有益于提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度,拉應(yīng)力可促使裂紋開(kāi)裂,、對(duì)應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命產(chǎn)生不利影響,。因此,,對(duì)殘余應(yīng)力研究很有實(shí)際意義,,其測(cè)量受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,測(cè)控殘余應(yīng)力以提高工件或材料的性能和使用壽命在工程應(yīng)用上極為重要,。

 

 

 

1,、內(nèi)應(yīng)力的分類(lèi)與 X 射線(xiàn)衍射效應(yīng)

 

  內(nèi)應(yīng)力是指沒(méi)有外力或外力矩作用而在物體內(nèi)部存在并自身保持平衡的應(yīng)力。依據(jù)對(duì)晶體的X射線(xiàn)衍射現(xiàn)象的不同,,可將內(nèi)應(yīng)力分為三類(lèi):

 

  ♦ 第I類(lèi)內(nèi)應(yīng)力:宏觀尺寸范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力,,與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)變導(dǎo)致原子間晶面間距變化,引起X射線(xiàn)譜線(xiàn)峰位移,;

  ♦ 第II類(lèi)內(nèi)應(yīng)力:幾個(gè)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力,,應(yīng)力的作用與平衡范圍較小,引起衍射譜線(xiàn)寬化,;

  ♦ 第III類(lèi)內(nèi)應(yīng)力:一個(gè)晶粒晶胞尺寸數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力,,引起衍射譜線(xiàn)強(qiáng)度下降。

 

 

 

2,、什么是殘余應(yīng)力,?

 

  國(guó)內(nèi)科技文獻(xiàn)習(xí)慣將一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為殘余應(yīng)力。一般英,、美文獻(xiàn)中把一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為“宏觀應(yīng)力”(Macrostress),,把二類(lèi)和三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力合稱(chēng)為“微觀應(yīng)力”(Microstress),。殘余應(yīng)力可以認(rèn)為是一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力的工程名稱(chēng)。至于通常所說(shuō)的“熱處理應(yīng)力”,、“焊接應(yīng)力”,、“鑄造應(yīng)力”等則是實(shí)施這些工藝的過(guò)程中產(chǎn)生并終殘留的殘余應(yīng)力的簡(jiǎn)稱(chēng)。

 

,、X射線(xiàn)衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理(sin2ψ法)

 

  X射線(xiàn)衍射測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理是以測(cè)量衍射角的偏移為基礎(chǔ),,得到應(yīng)變,而后通過(guò)彈性力學(xué)計(jì)算得到殘余應(yīng)力,。在無(wú)應(yīng)力狀態(tài),,衍射角2θ不隨晶面方位角ψ變化而變化。當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí),,晶面間距將發(fā)生變化,,發(fā)生布拉格衍射時(shí),產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng),,而且移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān),。

 

 

  在拉應(yīng)力狀態(tài),晶面方位角ψ越大,,晶面間距d也越大,,依據(jù)布拉格定律,衍射角2θ就越??;相反,在壓應(yīng)力狀態(tài),,晶面方位角ψ越大,,晶面間距d也越小,相應(yīng)地,,衍射角2θ就越大,。

 

 

  可以推想,衍射角2θ隨晶面方位角ψ變化而變化的快慢程度,,直接反映出應(yīng)力值的大小,。

 

根據(jù)布拉格定律和彈性理論,可以推導(dǎo)出:

 

  其中,,K為應(yīng)力常數(shù),。這樣,只要測(cè)出不同晶面方位角ψ對(duì)應(yīng)的衍射角2θ,,求出2θ對(duì)sin2ψ的斜率,,就可以根據(jù)上式算出應(yīng)力σ。

 

4 ,、XRD殘余應(yīng)力的測(cè)量方法

 

  1 同傾法試樣的Ψ轉(zhuǎn)軸與衍射儀的θ/2θ軸重合,,Ψ角在計(jì)數(shù)管掃描平面內(nèi)變化,,上述兩個(gè)平面重合,測(cè)定的是試樣橫向的表面應(yīng)力,。這種Ψ角設(shè)置方式在國(guó)內(nèi)稱(chēng)為常規(guī)法,,在歐洲叫做Ω-測(cè)角儀。

 

 

  2 側(cè)傾法若試樣的Ψ轉(zhuǎn)軸與衍射儀的θ/2θ軸垂直,,即上述兩個(gè)平面相互垂直,,試樣表面法線(xiàn)S3與計(jì)數(shù)管掃描平面之間的夾角為Ψ,測(cè)定的是試樣軸向(S1軸方向)的表面應(yīng)力,。這種Ψ角設(shè)置方式在國(guó)內(nèi)稱(chēng)為側(cè)傾法,,在歐洲叫做Ψ-測(cè)角儀。

 

 

  3 GID法以小角度掠射的方法進(jìn)行殘余應(yīng)力分析,,主要適用于薄膜樣品,。

 

5、 X射線(xiàn)衍射應(yīng)力測(cè)量參數(shù)選擇

 

1 衍射峰

 

  ♦ 盡量選取高角度的衍射峰,,特殊情況下,,也可以選擇低角度的衍射峰;

  ♦ 測(cè)量的范圍要包括背底,,以利于衍射峰位的確定, 一般大于3倍的半高寬,;

  ♦ 測(cè)量的步長(zhǎng)約為半峰寬的1/6或1/7;

  ♦ 測(cè)量的時(shí)間由衍射的強(qiáng)度決定,,盡量使曲線(xiàn)平滑,。

 

2 Psi或Chi軸

 

  ♦ Chi的步長(zhǎng)可以選9度,所以 chi=0,,9,,18,27,,36,45,;

  ♦ 也可以等分sin2ψ ,,例如0.1為步長(zhǎng);

  ♦ 測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量比單峰的質(zhì)量更重要,,特別是2θ- sin2ψ曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性變化的  情況下,。

 

3 Phi軸

 

  ♦ 0,90,,180,,270 度可以獲得σ11,σ22(二維應(yīng)力),;

  ♦ Phi,,Phi+180測(cè)量可以獲得剪切應(yīng)力,;

  ♦ 0,45,,90,,180,225,,270 度可以獲得應(yīng)力張量(三維應(yīng)力),。

 

6、應(yīng)用舉例-碳鋼的殘余應(yīng)力分析

 

1 典型的儀器配置及測(cè)量參數(shù)

 

 

  ♦  常規(guī)光源,,2.2 kW Cr靶點(diǎn)焦斑

  ♦  1mm準(zhǔn)直管

  ♦ DS狹縫: 1度

  ♦  尤拉環(huán)

  ♦  LynxEye XE-T探測(cè)器

  ♦  掃描范圍:152-160度( Fe (211)衍射峰)

  ♦  Chi 傾斜-45,、-36、-27,、-18,、-9、-0,、0,、9、18,、27,、36和45度

  ♦  掃描步長(zhǎng): 0.2度

  ♦  掃描速度: 2秒/步

 

采用上述參數(shù)測(cè)量后,根據(jù)樣品中應(yīng)力狀態(tài)的不同,,主要存在以下幾種典型的應(yīng)力曲線(xiàn):

 

2 典型應(yīng)力測(cè)試曲線(xiàn)1:線(xiàn)性曲線(xiàn)-無(wú)應(yīng)力試樣

 

 

 

3 典型應(yīng)力測(cè)試曲線(xiàn)2:線(xiàn)性曲線(xiàn)-壓應(yīng)力試樣

 

 

4 典型應(yīng)力測(cè)試曲線(xiàn)3:橢圓曲線(xiàn) (剪切應(yīng)力)-壓應(yīng)力試樣

 

 

5 典型應(yīng)力測(cè)試曲線(xiàn)4:橢圓曲線(xiàn)(剪切應(yīng)力)-拉應(yīng)力試樣

 

 

 6 典型應(yīng)力測(cè)試曲線(xiàn)5:波浪曲線(xiàn)-織構(gòu)試樣

 

 

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