一种材料残余应力深度分布的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种材料残余应力深度分布的检测方法，包括：样品的前处理；采集样品的X射线衍射全谱，确定残余应力测试的衍射晶面；采集样品不同深度的X射线应力图谱，计算X射线对样品的穿透深度，拟合X射线掠入射角与X射线对样品穿透深度的关系；基于采集的样品的X射线应力图谱，采用应力表达式计算得出样品不同深度的残余应力结果，确定样品残余应力分布与X射线穿透样品不同深度的函数关系。本发明专利技术可以克服传统剥层法判定应力深度方法的不足，对增加客观性和评价的准确性具有积极的意义，可为其它块体和薄膜材料的残余应力深度分布、样品疲劳寿命、关键零部件的可靠性、质量控制分析研究提供借鉴。析研究提供借鉴。析研究提供借鉴。

【技术实现步骤摘要】
一种材料残余应力深度分布的检测方法


[0001]本专利技术属于X射线衍射试验
，更具体地说，本专利技术涉及一种材料残余应力深度分布的检测方法。

技术介绍

[0002]材料的残余应力对其力学性能有重要影响，一般认为压应力对提高构件的疲劳强度有益，拉应力则因可能促使裂纹开裂、应力腐蚀和减少疲劳寿命而对构件产生不利的影响。长期以来，残余应力的研究一直受到学术界和工业界的重视，研究人员希望能够知道金属构件或者涂层材料的残余应力状态及其对性能的影响，又由于预测残余应力比较困难，所以准确测量残余应力非常重要。
[0003]测量残余应力的方法主要有小孔松弛法、机械引伸仪法、超声波法、X射线法、中子衍射法和电阻应变片法等。X射线探测残余应力作为一种无损检测方法，在生产、科研等领域得到了的应用。
[0004]常规X射线残余应力检测方法存在一些问题。例如，主要采用的X射线应力仪测量，X射线管所用靶材一般是Cr靶，Cr产生的X射线对材料的穿透深度低于Cu产生的X射线。所测应力是表面的二维残余应力。若要测量材料沿一定深度内的应力分布，通常要进行电化学剥层，这不仅背离了X射线法的无损检测的初衷，还因在剥层时产生应力松弛或引入新的应力而严重影响测量精度。测量周期长，需剥一层测一层，要求多次装卸试件，耗费工夫和时间。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种材料残余应力深度分布的检测方法，包括：
[0007]步骤一、样品的前处理；
[0008]步骤二、采集样品的X射线衍射全谱，确定残余应力测试的衍射晶面；
[0009]步骤三、采集样品不同深度的X射线应力图谱，计算X射线对样品的穿透深度，拟合X射线掠入射角与X射线对样品穿透深度的关系；
[0010]步骤四、基于步骤三采集的样品的X射线应力图谱，采用应力表达式计算得出样品不同深度的残余应力结果，确定样品残余应力分布与X射线穿透样品不同深度的函数关系。
[0011]优选的是，其中，所述步骤一中，样品前处理的具体方法包括：使用无水乙醇清洗样品表面的污渍，将样品放在衍射分析样品槽中，通过在样品背面加橡皮泥或垫片的方式确保样品的待测试面与衍射分析样品槽的上表面齐平。
[0012]优选的是，其中，所述样品为块状样品或薄膜样品。
[0013]优选的是，其中，所述步骤二中，采集样品的X射线衍射全谱的具体方法包括：将前
处理好的样品放入配有1Der半导体阵列探测器的X射线衍射仪的样品台上进行样品的数据采集，以Cu Kα射线为X射线光源，工作电压40kV，工作电流0mA，角度扫描范围10～150
°
，步长0.03
°
。
[0014]优选的是，其中，所述步骤二中，采集样品的X射线衍射全谱时，先进行样品的全谱扫描，选择同一物相的5～7个晶面的衍射峰进行后续的应力测量；在保证衍射强度和衍射峰独立的前提下，应尽量选择衍射角2θ>70
°
的高角度衍射峰作为测试对象。
[0015]优选的是，其中，所述步骤三的具体方法包括：扫描轴设置为2Theta；在Omega项中设置X射线掠入射角为0.01～10
°
，倾转轴设置为Omega；扫描模式为连续扫描；单个衍射峰的扫描范围设置为2～4
°
；扫描步长为0.03～0.05
°
；设置倾转角ψ的倾转范围，为了使得分析时2θ
ψ
‑
sin2ψ坐标中直线拟合数据点更具统计性，确保有5～7个不同的倾转角；设置sin2ψ步长，确保2θ
ψ
‑
sin2ψ或d
ψ
‑
sin2ψ坐标中数据点在sin2ψ轴上等间隔，步长值不超过0.1，其中2θ
ψ
为改变倾转角ψ获得的衍射角，d
ψ
为倾转角ψ变化时，得到的晶面间距d值；对于同一个样品深度，采用Cu KαX射线先后数次以不同的倾转角ψ照射到样品上，测出相应的衍射角2θ
ψ
；对于不同样品深度，选用不同的X射线掠入射角，则相应的倾转角ψ也不相同；当X射线掠入射角为ω时，X射线对样品的穿透深度通过下列公式计算：
[0016][0017]式中，τ为X射线穿透样品深度，μ是样品对X射线的线性吸收系数，ω为X射线掠入射角。
[0018]优选的是，其中，所述步骤三中，拟合X射线掠入射角与X射线对样品穿透深度的关系采用最小二乘法进行拟合，拟合得到的X射线掠入射角与对样品穿透深度的关系为τ＝0.0459+4.49275ω，其中τ为X射线穿透样品深度，ω为X射线掠入射角。
[0019]优选的是，其中，所述步骤四的具体方法包括：
[0020]假设主应力σ1和σ2平行于试样表面，在试样表面法线方向σ3＝0，此时，垂直表面方向的正应变为：
[0021][0022]式中，E是样品的杨氏模量，ν是样品的泊松比；如图1所示，在样品上表面构造坐标系O
‑
XYZ，X、Y、Z分别是三个坐标轴，σ1、σ2是平行于样品上表面x方向和y方向的主应力，σ3是垂直于样品上表面z方向的主应力，在样品上表面构造的竖直平面ABCO中，O是坐标原点，OC方向是垂直于样品上表面的方向，OB方向与σ2呈ψ夹角，OA方向是与样品上表面的夹角为90
°‑
ψ的方向，OA的方向余弦分别是cosα、cosβ、cosψ，其中α、β、ψ分别是OA方向与σ1、σ2、σ3之间的空间角，则OA方向的正应变ε
ψ
是：
[0023]ε
ψ
＝ε1cos2α+ε2cos2β+ε3cos2ψ
[0024]设σ
x
和ε
x
为样品上表面x方向的残余应力及应变，根据平面应力下的胡克定律及关系式：
[0025][0026]式中，ε1、ε2是平行于样品上表面的应变；
[0027]根据空间关系式，即可得出：
[0028][0029]当残余应力是定值时，σ
x
和ε3都是常数，ε
ψ
是角ψ的函数，对上式以sin2ψ为变量求导，则有：
[0030][0031]这时，残余应力的测量就变成了ε
ψ
和sin2ψ关系；
[0032]没有应力时，如果用一束单色X射线入射样品，则衍射条件满足布拉格方程：
[0033]2d0sinθ0＝nλ
[0034]式中，n为衍射级数，λ为入射X射线的波长，d0为衍射晶面的间距，θ0为入射角；
[0035]物体内部如果有弹性应变，晶面间距将发生变化，Δd/d0则代表这组晶面的正应变，把2d0sinθ0＝nλ微分后，可得：
[0036][0037]若把OA方向看成衍射面的法线方向，则ψ是这一方向与样品表面法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、样品的前处理；步骤二、采集样品的X射线衍射全谱，确定残余应力测试的衍射晶面；步骤三、采集样品不同深度的X射线应力图谱，计算X射线对样品的穿透深度，拟合X射线掠入射角与X射线对样品穿透深度的关系；步骤四、基于步骤三采集的样品的X射线应力图谱，采用应力表达式计算得出样品不同深度的残余应力结果，确定样品残余应力分布与X射线穿透样品不同深度的函数关系。2.如权利要求1所述的材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，所述步骤一中，样品前处理的具体方法包括：使用无水乙醇清洗样品表面的污渍，将样品放在衍射分析样品槽中，通过在样品背面加橡皮泥或垫片的方式确保样品的待测试面与衍射分析样品槽的上表面齐平。3.如权利要求2所述的材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，所述样品为块状样品或薄膜样品。4.如权利要求1所述的材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，所述步骤二中，采集样品的X射线衍射全谱的具体方法包括：将前处理好的样品放入配有1Der半导体阵列探测器的X射线衍射仪的样品台上进行样品的数据采集，以Cu Kα射线为X射线光源，工作电压40kV，工作电流40mA，角度扫描范围10～150
°
，步长0.03
°
。5.如权利要求1所述的材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，所述步骤二中，采集样品的X射线衍射全谱时，先进行样品的全谱扫描，选择同一物相的5～7个晶面的衍射峰进行后续的应力测量；在保证衍射强度和衍射峰独立的前提下，应尽量选择衍射角2θ>70
°
的高角度衍射峰作为测试对象。6.如权利要求1所述的材料残余应力深度分布的检测方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法包括：扫描轴设置为2Theta；在Omega项中设置X射线掠入射角为0.01～10
°
，倾转轴设置为Omega；扫描模式为连续扫描；单个衍射峰的扫描范围设置为2～4
°
；扫描步长为0.03～0.05
°
；设置倾转角ψ的倾转范围，为了使得分析时2θ
ψ
‑
sin2ψ坐标中直线拟合数据点更具统计性，确保有5～7个不同的倾转角；设置sin2ψ步长，确保2θ
ψ
‑
sin2ψ或d
ψ
‑
sin2ψ坐标中数据点在sin2ψ轴上等间隔，步长值不超过0.1，其中2θ
ψ
为改变倾转角ψ获得的衍射角，d
ψ
为倾转角ψ变化时，得到的晶面间距d值；对于同一个样品深度，采用Cu KαX射线先后数次以不同的倾转角ψ照射到样品上，测出相应的衍射角2θ
ψ
；对于不同样品深度，选用不同的X射线掠入射角，则相应的倾转角ψ也不相同；当X射线掠入射角为ω时，X射线对样品的穿透深度通过下列公式计算：式中，τ为X射线穿透样品深度，μ是样品对X射线的线性吸收系数，ω为X射线掠入射角。...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢瑞士，李园利，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：