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理化检验-物理分册PTCA (PA RT :A PH YS.TES T.)2007年 第43卷 第4期专题讲座X 射线应力测定基本知识第一讲 残余应力的基本概念张定铨(绍兴文理学院,绍兴312000)中图分类号:O344.1;TG 115.22+2.2 文献标识码:A 文章编号:1001-4012(2007)04-0211-02BASIC KNOWLEDG E OF ST RESS DE TERM IN AT ION BY X -RA Y———LEC TU RE No.1BASIC CONCEPT OF RESIDU AL S TRESSZHANG Ding -quan(Shao xing College o f A rts and Sciences ,Shao xing 312000,China )1 什么是残余应力要回答这个问题必须先从内应力说起。
内应力是没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。
内应力这个概念最早由德国铁路工程师Woehle r (维勒)于1860年提出,他认为火车轴的断裂有内应力作用这个因素。
此后,虽有不同学者探讨这个问题,但是直到1973年才由德国学者Macherauch (马赫劳赫)提出了一个得到广泛认同的内应力模型[1],见图1。
图1 内应力分类的示意图[1]Fig.1 Definition of Ⅰ,Ⅱand Ⅲkind inter nal stresse s收稿日期:2006-01-10作者简介:张定铨(1942-),男,教授。
第一类内应力(记为σⅠr )在较大的材料区域(很多个晶粒范围)内几乎是均匀的。
与σⅠr 相关的内力在横贯整个物体的每个截面上处于平衡。
与σⅠr 相关的内力矩相对于每个轴同样抵消。
当存在σⅠr 的物体的内力平衡和内力矩平衡遭到破坏时会产生宏观的尺寸变化。
第二类内应力(记为σⅡr )在材料的较小范围(一个晶粒或晶粒内的区域)内近乎均匀。
x射线应力检测原理一、引言x射线应力检测是一种非破坏性的材料力学性能测试方法，广泛应用于工程和科学领域。
它通过测量材料中的应力分布来评估材料的力学性能，具有高精度、高灵敏度和广泛适用性的特点。
本文将介绍x射线应力检测的原理和应用。
二、x射线应力检测的原理x射线应力检测的原理基于材料中晶格的应力引起的晶格畸变。
当材料受到外力作用时，材料的晶格结构会发生畸变，这种畸变会引起入射x射线的散射。
根据散射角度和散射强度的变化，可以推断出材料中的应力分布情况。
具体来说，x射线应力检测利用布拉格定律和散射理论。
布拉格定律是指入射x射线与晶格平面之间的衍射条件，即2d sinθ = nλ，其中d为晶格的间距，θ为散射角度，n为衍射级数，λ为x射线的波长。
当晶格受到应力引起畸变时，晶格间距d也会发生变化，从而改变衍射角度θ。
通过测量衍射角度的变化，可以计算出晶格的应力。
散射理论则是通过研究入射x射线与晶体中原子的相互作用来解释散射现象。
入射x射线与晶体中的原子发生相互作用后，会散射出去，形成衍射图样。
根据散射图样的形状和强度，可以推断出晶体中的应力分布情况。
三、x射线应力检测的应用x射线应力检测在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 金属材料的应力检测：x射线应力检测可以用于评估金属材料的强度和耐久性。
通过测量金属材料中的应力分布，可以预测金属材料在实际使用中的性能和寿命。
这对于制造业和航空航天领域具有重要意义。
2. 混凝土结构的应力检测：x射线应力检测可以用于评估混凝土结构的强度和稳定性。
通过测量混凝土中的应力分布，可以检测混凝土结构中的裂缝和应力集中区域，从而指导结构的维护和修复工作。
3. 陶瓷材料的应力检测：陶瓷材料常常用于高温和高压环境下。
x 射线应力检测可以用于评估陶瓷材料在极端条件下的力学性能。
通过测量陶瓷材料中的应力分布，可以提前预警陶瓷材料的破损和失效，从而避免事故和损失。
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 射线应力测定技术预备知识一、X 射线的本质与产生1、X 射线的本质1895 年德国物理学家伦琴发现了 X 射线。
1912年德国物理学家劳埃等人成功地观察到 X 射线在晶体中的衍射现象，从而证实了 X 射线在本质上是一种电磁波。
依据电磁波的波长，从 3×10－4m 以上到10－13m 以下，可以把它们分别称为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线和宇宙射线 等（如图 1 所示）。
X 射线的波长范围在 10－12m ～ 10 － 8m 之间。
用于衍射分析的 X 射线波长通常在0.05nm ～0.25nm 范围，用于金属材料透视的 X 射线 波长为 0.1nm ～0.005 nm ，甚至更短。
实验证明，波长越长的电磁波，其波动性越明 显，波长越短的电磁波，其粒子性越明显。
X 射线 和可见光、紫外线同其它基本粒子一样都同时具有 波动性和粒子性二重特性。
正因为它们的具有波动 性，光的干涉衍射现象才得以圆满解释；也正因为 它们的粒子性，探测器才可以接收到一个个不连续的 图1、电磁波谱光量子。
反映波动性的波长λ、频率υ与反映粒子性 各个区域的上下限难以明确指定，本图中各种电磁波的边界是臆定的的光子能量ε之间存在以下关系： ε＝h υ＝hc/λ 式中 h 为普朗克常数，h ＝6.626×10－34J ·s ；c 为光速，也是 X 射线的传播速度，c ＝2.2998 ×108m/s 。
2、X 射线的产生 研究证明，当高速运动的电子束（即阴极射线）与物体碰撞时，他们的运动便急遽的 被阻止，从而失去所具有的动能，其中一小部分能量变成 X 射线的能量，发生 X 射线，而 大部分能量转变成热能，使物体温度升高。
从原则上讲，所有基本粒子（电子、中子、质子 等）其能量状态发生变化时，均伴随有 X 射线辐射。
通常使用的 X 射线都是从特制的 X 射 线管中产生的。
图 2 是 X 射线管的结构和产生 X 射线示意图。
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。
目录1.概述 (2)1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展 (2)a.测试技术的进展 (3)b.测量装置的进展 (4)1.2测试标准 (5)2、测定原理及方法： (6)2.1二维残余应力 (6)2.1.1原理 (6)2.1.2方法 (9)2.2三维残余应力 (15)2.2.1沿深度分布的应力测定一剥层法 (16)2.2.2 X射线积分法(RIM) (17)2.2.3 多波长法 (20)3、X射线残余应力测定法的优、缺点 (21)4、一些应用 (22)参考文献： (23)X射线衍射法残余应力测试原理、计算公式、测试方法的优缺点、目前主要应用领域。
1.概述X射线法是利用X射线入射到物质时的衍射现象测定残余应力的方法。
包括X射线照相法、X射线衍射仪法和X射线应力仪法。
1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展早在1936年，Glocker等就建立了关于x射线应力测定的理论。
但是当时由于使用照相法，需要用标准物质粉末涂敷在被测试样表面以标定试样至底片的距离，当试样经热处理或加工硬化谱线比较漫散时，标准谱线与待测谱线可能重叠，测量精度很低，因此，这种方法未受到重视，直到二十世纪四十年代末还有人认为淬火钢的应力测定是不可能的。
只有在使用衍射仪后，X射线应力测定才重新引起人们的重视，并在生产中日渐获得广泛应用。
美国SAE在巡回试样测定的基础上，于1960年对X射线应力测定技术进行了全面的讨论。
日本于1961年在材料学会下成立了X射线应力测定分会，并在1973年颁布了X射线应力测定标准方法。
a.测试技术的进展在二十世纪五十年代，X射线应力测定多采用0°~ 45°法(又称两次曝光法)，这种方法在dψϕ与sin2ψ有较好的线性关系时误差不大，但当试件由于各种原因，dψϕ与sin2ψ偏离离直线关系时，0°~ 45°法就会产生很大误差。
为了解决这个问题，德国E.Macherauch在1961年提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使x射线应力测定的实际应用向前迈进了一大步。
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。
作用与平衡范围较大，
多晶体
入射线多晶体
衍射峰
入射线
衍射线
多晶体
多晶体
2θ
入射线
衍射线
衍射峰
衍射角
2θ
2d Sin θ= n λ布拉格定律d λ
X射线波长
晶面间距
θ布拉格角衍射角衍射角的1/2
衍射晶面法线2θ
试样表面法线
衍射晶面法线
2θ
衍射晶面法线
试样表面法线ΨΨ衍射晶面方位角
2θ
在无应力状态下
在各个晶粒当中
所选 ( h k l ) 晶面间距 d 均相等多晶体无应力状态
2θ衍射峰衍射角
在无应力状态下
不论X射线从哪个方向入射
即不论Ψ角为何值
同一 ( h k l ) 晶面产生的衍射峰，根据布拉格定律
其衍射角2θ应该相等。
多晶体
多晶体拉应力状态
晶面间距d变小
多晶体拉应力状态
晶面间距d变大多晶体拉应力状态
即Ψ=0°确定衍射晶面法线使之与试样表面法线重合
确
定
衍
射
晶
面
法
线
多晶体拉应力状态
计数管扫描
入射线衍射线
多晶体拉应力状态
衍射峰多晶体拉应力状态
多晶体拉应力状态
2θ
衍射角根据 2d Sin θ= n λ
晶面间距d变小
变大
Ψ
试
样
表
面
法
线
多晶体拉应力状态
Ψ
在拉应力状态
参与衍射的晶面间距 d 变大
根据布拉格定律
2d Sinθ= nλ
2θ
衍射角2θ变小。
