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精品文档 X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESS XRD2009-01-1021:07:39阅读719评论3字号:大中小订阅 射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 X 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。 射线衍射法测量残余应力的发展 X 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 精品文档 精品文档 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。 射线衍射法测量残余应力的基本原理 X 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。 为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于X射线对试样的穿入 能力有限,只能探测试样的表层应力,这种表层应力分布可视为二维应 力状态,其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠。由此,可0) 求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为: εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示,且与衍射峰位移 联系起来,即: 精品文档 精品文档 式中θ0为无应力试样衍射峰的布拉格角,θψ为有应力试样衍射峰 位的布拉格角。 于是将上式代入并求偏导,可得: 其中K是只与材料本质、选定衍射面HKL有关的常数,当测量的样品 是同一种材料,而且选定的衍射面指数相同时,K为定值,称为应力系 数。M是(2θ)-sin2ψ直线的斜率,对同一衍射面HKL,选择一组ψ 值(0°、15°、30°、45°),测量相应的(2θ)ψ以(2θ)-sin2ψ作图, 并以最小二乘法求得斜率M,就可计算出应力(φ是试样平面内选定 主应力方向后,测得的应力与主应力方向的夹角)。由于K<0,所以, 时,为拉应力,时为压应力,而时无应力存在。 M<0M>0M=0 样品与衍射面之间的关系 衍射仪测量测量残余应力的实验方法 精品文档 精品文档 在使用衍射仪测量应力时,试样与探测器θ-2θ关系联动,属于固 定ψ法。通常ψ=0°、15°、30°、45°测量数次。 当ψ=0时,与常规使用衍射仪的方法一样,将探测器(记数管)放在 理论算出的衍射角2θ处,此时入射线及衍射线相对于样品表面法线呈 对称放射配置。然后使试样与探测器按θ-2θ联动。在2θ处附近扫描得 出指定的HKL衍射线的图谱。当ψ≠0时,将衍射仪测角台的θ-2θ联 动分开。先使样品顺时针转过一个规定的ψ角后,而探测器仍处于0。 然后联上θ-2θ联动装置在2θ处附近进行扫描,得出同一条HKL衍射 线的图谱。 最后,作2θ-sin2ψ的关系直线,最后按应力表达σ=K·Δ2θ/Δsin2ψ= 求出应力值。 K·M 残余内应力测试的数据处理 由布拉格方程可知,θ角越大则起测量误差引起△d/d的误差越 小,所以测量时应选择θ角尽量大于衍射面。取n个不同的ψ角度进 行测定2θi(i=1,2,3,…,n),一般可取n≥4,采用数据处理程序对 2θΨ的原始测量数据进行扣除背底、数值平滑、确定峰位等处理后给出 2θΨ