Page 33 - 理化检验-物理分册2021年第十一期

程时美: 不同 X 射线残余应力测定方法的原理与应用

但实际上由于 ψ 的测量范围太小而无法给出合理
的精确值。正因如此, cosα 法计算应力暂时没纳入

国标 GB / T7704-2017 、 欧盟标准 BSEN15305 :

2008 、 美 标 ASTM E915-2010Standard Test

Methodf orVeri fy in gtheAli g nmento f X-Ra y

Di ff ractionInstrumentationf or Residual Stress
Measurement 等 X 射 线 衍 射 残 余 应 力 检 测 方 法
标准中。
图7 修改后的侧倾法几何示意
cosα 法基于弹性力学原理, 如式( 15 ) 和式( 16 )

Fi g 7 Geometr y schematicdia g ramofmodifiedrollmethod
所示。
侧倾法又分为固定 ψ 0 法和固定 ψ 法, 固定 ψ
法又因原理准确、 实用效果好而优于前者。将两种 σ x =- -E · 1 · 1 · ∂ε α1 ( 15 )

2
2
∂cosα
1+ ν sin η sin ψ 0

方法结合, 即在侧倾的条件下实施固定 ψ 法便会使

吸收因子恒等于 1 。也就是说, 不论衍射峰是否漫 τ x y = E · 1 · 1 · ∂ε α2
( 16 )
2
2 ( 1+ ν ) sin η sin ψ 0
2
∂cosα

散, 它的背底都不会倾斜, 峰形基本对称, 而且在无 图9 “ 全二位探测器” 角最大采集范围( 入射
ψ
织构的情况下峰形及强度不随 ψ 角的变化而变化。 角为45° ) 见图8 , α 角在德拜环平面上, 即德拜环上
显然, 这个特点对提高测量精度是十分有利的, 侧倾 每个点的圆心角。对于试样表面O 点而言, 德拜环
固定 ψ 法是很理想的一种测量方法。 上各点的2θ 角, 都会因OX 方向上的应力而有所变
5 摆动法 化, 也可以认为各点都对应一定的晶格应变。然而,
这些应变都只是应力方向平面上对应 ψ 方向上应
摆动法是在探测器接收衍射线的过程中, 以每 有应变的一个分量。尽管德拜环上可以选取很多数
一个设定的 ψ 角( 或 ψ 0 角) 为中心, 使 X 射线管和 据点, 对应的晶面法线有很多条, 但是其 ψ 角范围
探测器在 ψ 平面内左右回摆一定的角度( ± Δ ψ 或 却很小。以 α-Fe ( 211 ) 晶面 CrKα辐射为例, 若
) 的应力测定方法。这种方法增加了材料中 ψ 0
2
±Δ ψ 0 为35° , 则 ψ 在23° 至47° 范围内, 其sin ψ 值落在图
参加衍射的晶粒数, 是解决粗晶材料应力测定问题
9的方框里, 而且不包含- ψ 对应的应变。
的近似处理方法。基于这样的思路, 还可以采取 φ
角摆动法和X / Y 平移摆动法, 甚至可以组合不同的
摆动方法进行测试。
6 X 射线衍射残余应力测定cos α 法
2012年日本 PULSTEC 公司首次推出基于二
维探测器技术的应力仪, 该仪器采用单次入射方式,
利用二维探测器采集 X 衍射线, 可于短时间内采集
到测试点的德拜环信息。德拜环上各点对应的晶面 图8 cos α 法几何示意

法线与试样表面法线形成的 ψ 角不在一个平面内, Fi g 8 Geometr y schematicdia g ramofcosα method
2 法计算应力, 从而使用α 角, 这就 其实 X 射线衍射残余应力测定的两种方法基
所以无法用sin ψ
于的力学原理是一致的。将应变张量在空间角度
是所谓的cosα 法, 如图8所示。
该测试方法比较适用于大型钢结构件的表面应 上的进行变换, cos α 法所采用的α 角完全可以与 ψ
力测试。对于测试粗晶粒材料或存在织构的材料而 角进行相互换算。 cosα 法其实就是近似处理 的

2 法( 如欧盟标准 BSEN15305 : 2008中修正的
言, 该仪器的使用具有局限性。欧盟标准 BSEN sin ψ
χ 法)。
15305 : 2008 Non-destructive testin g ——— Test

method f or residualstress anal y sis b y X-ra y 7 不同仪器测定热轧钢板的残余应力对比
di ff raction 附录中 F3.8 二维探测器的使用一节中
通常使用的热轧钢板, 一般可以认为不存在织
写道: 理论表明一次测量就能得到精确的应力分量,
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