Page 64 - 理化检验-化学分册2017第八期

王 荣: 机械装备的失效分析( 续前)第 ６ 讲 X 射线分析技术

若构件中内应力沿垂直于表面方向的变化很小, 而 ４．３ X 射线光电子能谱仪分析技术
X 射线的穿透深度较浅( 约 １０ μ m 数量级), 一般可 从 X 射 线 和 物 质 的 交 互 作 用 可 知 ( 图 ３ 或
是在自由表面( 表面法线方向的正应力和 图 ４ ), 当 X 射线穿过厚度为t 的物质后, 会激发出
以认为σ ϕ
切应力为零) 内平行于表面的应力, 即假定为平面应 光电子 ( Photoelectron ). XPS 就 是 利 用 从 物 质 的
力状态.由此得出 X 射线衍射法测定宏观残余应 原子中激发出的光电子的特性来对被检测物质的物
力的基本公式如下 性进行分析, ２０ 世纪 ５０ 年代, SIEGBAHN K 研制
E ∂ε ϕψ 成功了第一台 XPS , １０a ( 年) 后发展成为商用分析
σ ϕ ＝ × ( ２１ )
１＋ ν ∂sin ϕ 仪器.目前的 XPS , 采用微聚焦 X 射线、 X 射线单
２
式中: E 为材料弹性模量; ν 为泊松比. 色化及计算机控制等技术, 成像的空间分辨率可以
转换成用弧度
根据布拉格方程的微分式, 将ε ϕψ 达到 １ μ m , 能量分辨率优于 ０．４５eV . XPS 分析使
用的光源阳极是镁或铝, 其发射出的 K 系 X 射线
θ 表示的衍射角的变化, 又因σ ϕ 是一定值, 所以ε ϕψ
２ 呈线性关系.对于同种材料, 当选定某一
与sin ϕ 的能量分别是 １４８７eV 和 １２５４eV . XPS 可根据
特定的晶面族和入射线波长时, 应力常数 K 恒定不 某元素光电子动能的位移来了解该元素所处的化学
变( 可查表或计算).以铁基的钢铁材料为例, 选铁 状态, 有很强的化学状态分析功能.在机械装备的
素体的{ ２１１ } 晶面进行测定, 采用铬靶作为辐射源, 失效分析中, XPS 常用来分析元素的价态, 从而判
则θ≈７８．２° , 其中 K＝－３１８MPa /( ° ), 所以 断该元素与其他元素的化合物组合形式.例如在腐
Δ ( ２θ ) 蚀失效分析中, 通过能谱( EDS ) 分析发现腐蚀产物
σ ϕ ＝K ( ２２ )
２
Δsin ϕ 中硫元素含量较高, 但不知道是硫酸盐类还是亚硫
根据式( ２２ ), 只要在同一测定平面测定不同方 酸盐类, 亦或者是硫化氢类腐蚀, 这时就可以通过
位 的 同 族 衍 射 晶 面 的 ２ θ , 就 可 以 求 出 Δ ( ２ θ )/ XPS分析得出硫的价态, 若为 －２ 价, 则可判断腐蚀
２
Δsin ϕ , 即在一定的测定条件下, 应力常数 K 是已 介质主要为硫化氢类, 若为 ＋６ 价, 则为硫酸盐类,
知的 [ ４ ] , 代入式( ２２ ) 即可得到应力σ ϕ .当采用最常 若为 ＋４ 价, 则为亚硫酸盐类, 从而可以有针对性地
见的同倾角法( IsoＧinclination Method ) 测定平面与 查找 出 腐 蚀 介 质 的 来 源, 有 的 放 矢 地 制 定 预 防
扫描平面相重合的测定方法时, 确定 ψ 角的方法有 措施 [ ５ ] .
两种, 即固定 ψ ０ 法和固定 ψ 法. XPS 分析时对样品有如下要求: ① 样品尺寸不
测定残余应力的方法有很多, 有电测法、 机械 宜过大, 一般不大于 １０mm×１０mm×１mm ; ② 样
引申仪法、 磁 性 法、 超 声 波 法 和 X 射 线 衍 射 法 等. 品表面应大体平整; ③ 样品最好能导电; ④ 样品表面
鉴于 X 射线衍射法具有无损、 快速、 精确等许多优 应进行脱脂处理, 避免用手触摸; ⑤ 样品制备好后应
点, 其应用最为广泛.目前, 采用 X 射线衍射法测 尽快测试, 避免长时间放置在空气中; ⑥ 粉末样品可
定宏观残 余 应 力 的 方 法 和 设 备 不 断 有 新 品 推 出, 以压成块状, 或散布在胶带上, 也可以将粉末溶解在
应用越来 越 广 泛, 在 产 品 质 量 控 制 和 机 械 装 备 的 适当溶剂中制成溶液, 然后涂在样品台上待溶剂挥
失效分析 中 所 起 的 作 用 也 越 来 越 大. 图 １８ 为 采 发后制成试样; ⑦ 气体、 液体样品多用冷却法令其
用 X 射线衍射仪现场测试某船用大齿轮表面残余 凝固.
应力的图片.
５ 小结

X 射线从发现到现在已有一百多年的历史, X
射线分析技术发展至今已广泛应用于各行各业的方
方面面, 对人类文明和社会的发展进步产生了非常
重要的作用和影响.在机械装备的失效分析中, X
射线分析技术应用较多的有以下几个方面: ① 利用
X 射线探伤仪进行缺陷检测和缺陷定位; ②X 射线
图 １８ 现场残余应力测试图片 衍 射分析技术在晶体研究方面具有独特的作用, 利
Fi g 敭１８ Pictureoffieldresidualstresstest ( 下转第 ５９８ 页)

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