中子衍射测量残余应力研究进展

中子衍射技术是一种测量材料或工程部件内部的三维应力状态的方法。综述了近年来中子衍射在宏观部件焊接、热加工与热处理过程中残余应力测量的应用,在探究材料微观变形机理方面的应用,在金属基复合材料与多相合金中各相微观应变测量的应用,以及与其他残余应力测量技术对比等方面的研究情况,并展望了中子衍射测量技术的应用前景。     

中子衍射残余应力无损测量技术及应用

中子衍射作为一门实验技术,在描述材料内部残余应力方面有巨大的潜力,是允许工程师或材料科学家进行三维、无损、深度地获取材料内部残余应力分布状态的少数技术之一.回顾了中子衍射测量残余应力的发展历史,概述了中子衍射残余应力分析方法的基本原理与特点,并简单介绍了其在材料科学和工程应用领域的应用情况.最后根据国际国内中子源及中子谱仪的发展趋势,展望了此技术的应用领域与未来前景.     

短波长特征X射线衍射的衍射峰赝偏移现象的产生原因及解决措施

利用短波长特征X射线衍射仪对样品进行应力测试,测试样品表面附近的衍射峰时发现,衍射角明显偏离理论衍射角。通过理论和试验对该衍射峰赝偏移的原因进行了分析,并提出了解决措施。结果表明:由于短波长特征X射线波长短、衍射角小,入射准直器和接收准直器形成的规范体积截面为长菱形,当样品未充满规范体积时,导致衍射峰赝偏移,进而造成衍射角测试存在误差,影响应变计算结果的准确性。可通过减小准直器宽度、采用高角度衍射峰、使用对称法、翻转样品及应用理想参考样品等方法降低衍射峰赝偏移对应变计算结果的影响。     

能量色散法在铁单晶应力测量中的应用

为了更精确地进行材料内部的应力测量，尝试了用能量色散法进行应力测量的模拟研究。模拟计算的结果分析表明：能量色散法进行应力测量的分辨率（3．9×10^-4）优于传统的应力测量方法的分辨率（101），并且在波长选定的情况下，狭缝的宽度与试样厚度是影响结果的主要因素。     

角度分散法中子衍射应力测试技术的应用

由于中子具有较高的穿透能力,利用中子衍射容易获得块状试样内部特定位置的三维点阵面间距,从而实现应变/应力分布的较准确评价。首先介绍了各种应力测试技术的研究现状以及角度分散法中子衍射应力测试技术的基本原理;然后结合冲压成型试样的强度评价、复层钢板拉伸变形后的残余应变评价以及负荷条件下钢筋混凝土中钢筋的应力分布等中子衍射典型试验研究,说明角度分散法中子衍射应力测试技术在国外已广泛应用于工程结构件与材料内部应力的定量研究;最后展望了角度分散法中子衍射应力测试技术在国内的研究前景。     

晶体材料内部残余应力衍射法无损检测的研究进展

目前能够准确、无损地测试材料内部残余应力的手段主要是中子衍射和同步辐射,但这两种测试手段需要核反应堆或高能同步辐射源,投资巨大,只为少数发达国家的少数实验室所拥有,难以应用到实际生产中。短波长X射线衍射仪通过钨靶-K_α特征射线(波长约0.02 nm)以及独特的谱接收方式,达到或接近同步辐射及中子衍射对晶体材料内部晶格应变的无损定点测试,为内部残余应力无损检测的广泛应用开辟了一条新的渠道。介绍了中子衍射和同步辐射对残余应力测试的国内外研究现状,重点展示了短波长X射线衍射仪用于内部应力测试的结果,并就三种测试方法特点进行了对比分析。     

陶瓷—金属连接残余应力X射线衍射测试方法

用大功率的ＭＸＰ１８－ＨＦ Ｘ射线衍射仪测量了金属与陶瓷连接处的残余应力分布。实验表明，该衍射仪Ｘ射线强度高，光斑细，适用于材料残余应力分布的精确测量。通过用它对金属－陶瓷界面应力梯度的测量，为残余应力的缓解提供了依据。     

碳纤维复合材料界面残余应力的X射线衍射分析

根据碳纤维的晶体学特点,提出了利用X射线衍射技术分析碳纤维/树脂基复合材料界面残余应力的新方法。通过在环氧树脂基体中引入膨胀单体,改变界面残余应力,对本文提出的方法进行了验证     

新型储氢材料的中子衍射研究

利用高灵敏度中子粉末衍射对新型储氢材料Li2NH,LiNH2,Li4BN3H10和BH3NH3的晶体结构进行了研究.通过对中子衍射数据的拟合分析得到了材料的晶格参数,原子占位和键长等数据.研究发现测量的氢原子占位结果与X-光衍射测量的结果有明显差别.结果表明储氢材料的氧释放温度与材料中的N-H或B-H键的键长成对应关系.通过将不同的储氢材料,例如LiBH4和LiNH2,进行复合改变材料中N-H和B-H氢键的强度,可以合成新的材料,有望达到储氢的目标.     

磨削残余应力的产生与X射线衍射分析方法

采用X射线应力测定仪对某批磨削轴承钢件的残余应力进行了测定。结果表明:轴承钢(可推延至其他金属材料)在磨削加工中,由于塑性凸出效应、挤光作用、热应力和材料组织结构的变化等因素的影响,使其产生的残余应力有正有负,其绝对值或高或低,难以确定;甚至在强力磨削后,其表层会存在剧烈的应力梯度,使表层呈现为三维应力状态;对于该类磨削工件,需要通过一系列的测试和计算,才能得出其三维应力的各个分量。     

Confirmation of Principal Residual Stress Directions in Rectilinear Components by Neutron Diffraction

Abstract: Large magnitude residual stresses in precipitation hardened aluminium alloys are a consequence of inhomogeneous plastic deformation arising from thermal strains. Thermal gradients develop because of the metallurgical requirement to quench the material rapidly from the solution treatment temperature. Characterisation of the resulting residual stresses can be usefully performed by neutron diffraction. For rectilinear shapes, it is usually assumed that the orthogonal directions of the sample are coincident with the principal stress directions. To test this assumption, residual strains were measured in a rectilinear block of the aluminium alloy 7449 using the SALSA neutron strain analyser. The strains at a single point in the forging were measured as a function of orientation; that is the forging was rotated around the three orthogonal axes of a coordinate system with its origin at the measurement point. Analysis of the neutron diffraction data allowed the determination of the full three‐dimensional strain and stress tensors which confirmed that the orthogonal directions of the forging did coincide with the principal stress directions.     

全因子试验设计在X射线衍射法测试高应力标样残余应力值中的应用

针对X射线法测试残余应力值的主要参数——准直器直径、曝光时间和β角数量,依据6σ的DMAIC流程和全因子试验设计,研究了标准高应力试样残余应力值的测试方法。结果表明:上述参数对探测器X光子接收数量、衍射峰强度和峰背比的大小有较大影响。为提高测试精确度和重复性,在满足检测效率的前提下,可选择较小的准直器直径、较长的曝光时间和较大的β角数量进行残余应力测试。对于标准高应力试样,选择2mm准直管、3s曝光时间和11个β角参数测定的残余应力值与标准值最为接近。     

Residual Stresses Comparison Determined by Short-Wavelength X-Ray Diffraction and Neutron Diffraction for 7075 Aluminum Alloy

High strength Al alloy 7075 is widely used in aeronautic and space domains. However, when the thick plate of 7075 alloy is quenched improperly, large residual stress (RS) will be produced which leads to the loss of performance in resistance corrosion, fatigue and fracture. It is necessary to get the detailed information about residual stress distribution in the quenched plate. Conventional X-ray diffraction, a viable residual stress test method, can only reveal the RS state near surface layer due to limited penetrated depth. RS in the bulk components now can usually be analyzed by neutron diffraction or hard X-ray diffraction of high energy synchrotron in non-destructive way. Here a novel non-destructive method using short-wavelength characteristic X-ray diffraction meter (SWXRD) with the X-ray tube of tungsten anode target to determine the RS within the materials is developed in China. This paper revealed the RS distribution in a 20 mm thick plate of 7075 Al alloy determined by SWXRD and typical neutron diffraction (in LLB laboratory of France). The RS distribution through the thickness of Al plate shows a good agreement with the result determined by SWXRD compared with neutron diffraction.     

X射线衍射法测试轧板表面残余应力

从试验角度讨论采用X射线衍射法测试轧板表面残余应力时遇到的一些问题。用X射线衍射法测试织构材料的表面残余应力时会出现2θ-sin2ψ震荡现象,但是测得的应力数据与加工工艺仍保持对应,反映出不同工艺对板材表面残余应力的影响。考虑到在较大的ψ角范围内缩小各衍射峰强度差异,对于面心立方钢铁材料宜选用(311)晶面测试。增加测试的ψ角站数也有助于得到好的应力测试效果。     

欧美最新X射线衍射残余应力测定标准介绍

对最新的欧盟X射线衍射残余应力测定标准EN15305-2008,从测试原理、材料特性、仪器的选择、限制条件及处理方法等方面进行了详细的介绍。指出在进行X射线残余应力测定时特别需要注意以下几个方面：EN153052008和美国X射线残余应力测定标准ASTME915—2010均明确要求采用不假定剪切应力为零的完整应力方程和椭圆拟合方法,否则会出现系统误差;用于拟合的sin^2φ值在正负妒方向上最少需要测试7个,建议测试9个以上;测定钛合金材料残余应力时建议使用铜靶X射线管,如使用其他靶材则需考虑X射线穿透深度不同带来的与标准方法的差异;应选择高能量分辨率、不易产生X射线辐射饱和的探测器;无应力铁粉残余应力测定的精度要求为正常±6．9MPa,最大±14MPa。