中子衍射残余应力无损测量与谱仪研发

简要介绍了中子衍射残余应力无损测量方法和位于中国先进研究堆旁的国内第一台致力于深度、三维、无损中子衍射残余应力测量谱仪的研发,即将为国内的广大用户提供材料科学和工程应用方面的研究和实验平台。     

中子衍射在残余应力分析中的应用

中子衍射应力测量原理基于布拉格方程,通过取样测量体积内样品晶格的晶面间距进行精确表征,获取材料微观晶格的形变信息,可以实现晶体材料深层内部弹性应变的直接无损测量.测量值通常与样品测量位置和外加温度或力学载荷相关,用于评估实际部件整体结构和变形参数.本研究介绍中子衍射的基本原理,辊压法调控搅拌摩擦焊的残余应力和变形、管道...     

摩擦搅拌焊接过程残余应力的中子衍射法测量分析

利用中子衍射法测量了2024-T4铝合金板摩擦搅拌焊接头残余应力分布,得到了接头内部不同位置处的残余应力,研究了焊接速度对残余应力的影响。结果表明,纵向残余应力总体水平比横向残余应力高,是接头内的主要残余应力;当搅拌头转速相同时,提高焊接速度,纵向残余应力增大;横向残余应力除了在匙孔附近较大外,在其余位置处的残余应力都围绕0轴在拉应力与压应力之间波动,整体残余应力水平相对纵向残余应力小很多。     

中子衍射和有限元法研究不锈钢复合板补焊残余应力

利用中子衍射和有限元法分析不锈钢复合板补焊残余应力,结果表明:计算结果与测试结果具有一致性.焊缝和热影响区产生了较高的残余应力,远离热影响区,残余应力逐渐降低.由于局部补焊加热,沿厚度方向产生了弯曲应力;在不锈钢覆层,最大残余应力位于热影响区,由于加工硬化的影响,其值已超过屈服强度.因此,采用常规标准假设会使评定结果与实际存在差异,利用中子衍射与有限元法相结合,不仅可以准确获得残余应力大小,而且可以获得沿厚度方向分布的残余应力,满足安全评定标准有关处理焊接残余应力的要求.     

原位中子衍射材料表征技术的进展

中子衍射利用中子不带电、穿透力强、能直接鉴别核素、比X射线与电子束对轻元素灵敏、具有磁矩等特点,已成为一种独特的从原子和分子尺度上表征物质的结构和微观运动的高新技术,本文着重介绍了原位中子衍射技术作为材料四维表征技术在金属材料的残余应力、变形机制、固态相变、纳米偏聚团等方面的研究进展。     

利用中子衍射法和轮廓法测定GH4169圆盘残余应力

分别采用中子衍射法和轮廓法对服役态GH4169合金圆盘工件内部残余应力分布特征进行表征。两种测试技术的机理完全不同，测量结果互相对比验证后，确定出较高可信度的残余应力测量结果。首先利用飞行时间中子衍射技术准确表征了GH4169合金圆盘完全热处理后轴向、径向和周向的应力，其量级约为-300~300 MPa，以周向和径向残余应力为主，沿轮廓呈“外压内拉”特征分布；利用轮廓法测量沿直径截面周向残余应力的二维分布图，切割截面周向残余应力呈现明显的“外拉内压”式分布特征的残余应力，残余应力量级约为-300~250 MPa量级。合金盘厚度中心截面上，中子衍射法与轮廓法的测试结果从趋势和绝对数值上基本一致，测试结果可信度高。     

利用中子衍射法和轮廓法测定GH4169圆盘残余应力

分别采用中子衍射法和轮廓法对服役态GH4169合金圆盘工件内部残余应力分布特征进行表征。两种测试技术的机理完全不同,测量结果互相对比验证后,确定出较高可信度的残余应力测量结果。首先利用飞行时间中子衍射技术准确表征了GH4169合金圆盘完全热处理后轴向、径向和周向的应力,其量级约为-300~300 MPa,以周向和径向残余应力为主,沿轮廓呈“外压内拉”特征分布;利用轮廓法测量沿直径截面周向残余应力的二维分布图,切割截面周向残余应力呈现明显的“外拉内压”式分布特征的残余应力,残余应力量级约为-300~250 MPa量级。合金盘厚度中心截面上,中子衍射法与轮廓法的测试结果从趋势和绝对数值上基本一致,测试结果可信度高。     

中子衍射在核电工程材料中的应用

中子衍射为工程材料组织结构、微观缺陷、残余应力等材料特性的精确测量、分析与表征提供了独天得厚的科研保障,是工程材料制备工艺的优化、工程构件的安全维护、以及关键工程设备的长寿命设计、安全评价以及延寿论证工作的理想工具。概述了中子衍射测量的基本原理,回顾了中子衍射技术在核电结构焊接应力工程与延寿技术,焊接热处理工艺辅助优化等方面的应用,最后根据中子衍射工程谱仪的特点,展望了此技术在材料研究领域的未来前景。     

铍材中子衍射应力测试的参数及其优化

利用铍环焊接样品进行了铍材在稳态堆上中子衍射应力测试的参数及其优化研究。结果表明:在中子束波长0.1587 nm和中子注量率2×10~6 n·cm~(-2)·s~(-1)的条件下,铍材中子衍射应力测试可以选取Be(110)晶面,衍射角为88.2°,规范体积为2 mm×2 mm×2 mm,初次测试采用时间为120 s,对单点进行4次重复性测试,表明衍射强度计数存在明显波动,测试应变的最大偏差接近300με,延长时间至6000 s后测试,表明衍射曲线较为平滑,重复性好,测试应变的最大偏差减小至50με以内,相应铍材的应力测试精度约15 MPa;利用优化参数对焊接铍环焊缝附近的环向应变进行了测试,表明分布规律与国外文献报道趋势基本一致,进一步开展铍材的中子衍射应力测试奠定了基础。     

单晶结构残余应力的X射线衍射分析技术

准确测定单晶材料残余应力是控制和调整单晶构件中残余应力的前提。基于弹性力学对单晶材料弹性模量与对应衍射晶面的关系进行理论分析,建立立方单晶材料的残余应力分析模型,并提出具体试验方法,以DD3单晶叶片为例,进行试验验证。结果表明：不同衍射晶面的弹性模量受独立弹性柔度系数、取向系数影响,DD3单晶叶片表面应力模型计算值与实测值间相对误差在20 MPa范围内。这种X射线衍射残余应力测定方法测定的残余应力值可靠性较高,为工程应用中测定立方单晶残余应力提供了理论依据和试验基础。     

X射线衍射法测量铝合金残余应力及误差分析

在介绍了X射线衍射法测量残余应力基本原理的基础上,以7075铝合金板材为实验对象,Photo公司的X射线衍射仪为实验仪器,采用不同的方向和衍射角对水域淬火后的7075铝板的表面残余应力进行测试,对测试结果进行处理并分析了应力产生的原因,提出了针对各种原因的解决方法。发现在单一方向上测量结果的线性和相关性在一端较好,另一端偏差较大,而相反方向时则相反。实验结果表明,从两个方向测定可减少应力测试误差;当测定值2θ的距离差平方和越小,自变量sin2ψ的间距越大,测试点越多且直线性越好,则应力测定误差越小;较长的曝光时间和合适的表面处理可以提高测试精度。     

Diffusivity Measured by X-ray Diffraction

The advancement of x-ray diffraction theory and techniques, combined with established diffusion models, enables the rate controlling parameter(s) of a transformation or reaction process to be conveniently measured in an in-situ manner. This article briefly describes the technique employed for kinetics measurements and analytical procedures required for data interpretation. Two approaches are adopted to extract the interdiffusion coefficient from the kinetics data—the direct space approach and the reciprocal space approach. Three examples are presented to demonstrate the usefulness of this analysis: the growth kinetics of a Pd₂Si layer on Si, the decomposition kinetics of a supersaturated Ni-Si alloy, and the short range ordering of a nonrandom solid solution.     

3003铝合金X射线法表面残余应力的检测

采用X射线衍射法测量铝合金3003基体材料表面残余应力中用到的衍射角.试验中,将等强度梁加载后表面产生的应力假设为“表面残余应力”,用传统电测法和X射线法分别测量加载后铝合金3003等强度梁的应力值.以电测值为参照,考察X射线法在衍射角为142°和156°时的应力测量值,并对其进行对比分析.试验表明,衍射角为142°时的测量结果存在非测量不当引起的测量非线性点.因此,X射线测铝合金3003宏观表面残余应力的最佳衍射角为156°.     

Validating a Model for Welding Induced Residual Stress Using High-Energy X-ray Diffraction

Integrated computational materials engineering (ICME) provides a pathway to advance performance in structures through the use of physically-based models to better understand how manufacturing processes influence product performance. As one particular challenge, consider that residual stresses induced in fabrication are pervasive and directly impact the life of structures. For ICME to be an effective strategy, it is essential that predictive capability be developed in conjunction with critical experiments. In the present work, simulation results from a multi-physics model for gas metal arc welding are evaluated through x-ray diffraction using synchrotron radiation. A test component was designed with intent to develop significant gradients in residual stress, be representative of real-world engineering application, yet remain tractable for finely spaced strain measurements with positioning equipment available at synchrotron facilities. The experimental validation lends confidence to model predictions, facilitating the explicit consideration of residual stress distribution in prediction of fatigue life.     

Engineering Applications of Time-of-Flight Neutron Diffraction

Time-of-flight neutron diffraction is widely used in characterizing the microstructure and mechanical response of heterogeneous systems. Microstructural characterization techniques include spatial or temporal mapping of the phases and determination of grain size, dislocation structure, and grain orientations (texture) within these phases. Mechanical response analysis utilizes the crystallographic selectivity of the diffraction process to measure the partitioning of strain within the system. The microstructural and mechanical response information is then used to develop more realistic constitutive models. In this article we review some examples of such measurements, based on our experiences at the Lujan Center of Los Alamos National Laboratory.     

超声检测表面残余应力的研究与发展

金属表面与内部残余应力的存在对构件的力学性能有重大影响.介绍了超声检测残余应力的研究现状和应用领域,从分析超声检测残余应力的原理、方法和特点着手,为开发能满足现场使用要求的检测系统,对几个关键技术进行了重点分析,并指出超声检测残余应力的发展方向和广阔的应用前景,为开展进一步研究提供借鉴与指导.     

基于同步辐射衍射技术的5A06铝合金焊接残余应力的测量研究

利用同步辐射X射线衍射技术测量了变极性等离子弧(VPPA)焊接5A06铝合金试样表面的残余应力,获得了该试样表面残余应力的分布规律,结合金相组织观察、EBSD、显微硬度测试等方法,分析了焊缝区、热影响区、母材区残余应力的产生及演化机制。结果表明:VPPA焊接5A06板材焊缝区晶粒粗大,热影响区晶粒细小,残余应力呈现出焊缝区域为压应力,热影响区为拉应力的"M"形状;在垂直于焊缝(TD)方向上存在75.79MPa的最大拉应力和159.34 MPa的最大压应力;在平行于焊缝(LD)方向上存在132.33 MPa的最大拉应力和89.38 MPa的最大压应力。相比于传统X射线仪器测量获得的残余应力变化趋势,同步辐射衍射测量的残余应力分布趋势与试样不同焊接区域显微硬度的变化趋势更加吻合。实验结果表明,相比于传统的X射线仪器测量残余应力,同步辐射X射线衍射测量的残余应力数据一致性更好。