x射線殘余應(yīng)力分析儀

外力撤除后在材料內(nèi)部殘留的應(yīng)力就是殘余應(yīng)力。但是，習(xí)慣上將殘余應(yīng)力分為微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力。兩種應(yīng)力在X射線衍射譜中的表現(xiàn)是不相同的。微觀應(yīng)力是指晶粒內(nèi)部殘留的應(yīng)力，它的存在，使衍射峰變寬。這種變寬通常與因?yàn)榫Я＜?xì)化引起的衍射峰變寬混雜在一起，兩者形成卷積。通過測(cè)量衍射峰的寬化，并采用近似函數(shù)法或傅立葉變換方法來求得微觀應(yīng)力的大小。宏觀應(yīng)力是指存在于多個(gè)晶體尺度范圍內(nèi)的應(yīng)力，相對(duì)于微觀應(yīng)力存在的范圍而視為宏觀上存在的應(yīng)力。一般情況下，殘余應(yīng)力的術(shù)語就是指在宏觀上存在的這種應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力（以下稱殘余應(yīng)力）在X射線衍射譜上的表現(xiàn)是使峰位漂移。當(dāng)存在壓應(yīng)力時(shí)，晶面間距變小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，當(dāng)存在拉應(yīng)力時(shí)，晶面間的距離被拉大，導(dǎo)致衍射峰位向低角度位移。通過測(cè)量樣品衍峰的位移情況，可以求得殘余應(yīng)力。

X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力的發(fā)展

X射線衍射法是一種無損性的測(cè)試方法，因此，對(duì)于測(cè)試脆性和不透明材料的殘余應(yīng)力是最常用的方法。20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)開始利用X射線來測(cè)定晶體的應(yīng)力。后來日本成功設(shè)計(jì)出的X射線應(yīng)力測(cè)定儀，對(duì)于殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的發(fā)展作了巨大貢獻(xiàn)。1961年德國(guó)的E.Mchearauch提出了X射線應(yīng)力測(cè)定的sin2ψ法，使應(yīng)力測(cè)定的實(shí)際應(yīng)用向前推進(jìn)了一大步。

X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理

Ｘ射線衍射測(cè)量殘余內(nèi)應(yīng)力的基本原理是以測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是殘余應(yīng)變，而殘余應(yīng)力是通過虎克定律由殘余應(yīng)變計(jì)算得到的。

其基本原理是：當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時(shí)，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng)，而且移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。用波長(zhǎng)λ的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測(cè)出相應(yīng)的衍射角2θ，求出2θ對(duì)sin2ψ的斜率M，便可算出應(yīng)力σψ。

Ｘ射線衍射方法主要是測(cè)試沿試樣表面某一方向上的內(nèi)應(yīng)力σφ。為此需利用彈性力學(xué)理論求出σφ的表達(dá)式。由于Ｘ射線對(duì)試樣的穿入能力有限，只能探測(cè)試樣的表層應(yīng)力，這種表層應(yīng)力分布可視為二維應(yīng)力狀態(tài)，其垂直試樣的主應(yīng)力σ3≈0(該方向的主應(yīng)變ε3≠0)。由此，可求得與試樣表面法向成Ψ角的應(yīng)變εΨ的表達(dá)式為：

εψ的量值可以用衍射晶面間距的相對(duì)變化來表示，且與衍射峰位移聯(lián)系起來，即：

式中θ0為無應(yīng)力試樣衍射峰的布拉格角，θψ為有應(yīng)力試樣衍射峰位的布拉格角。

于是將上式代入并求偏導(dǎo)，可得：

其中K是只與材料本質(zhì)、選定衍射面HKL有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)測(cè)量的樣品是同一種材料，而且選定的衍射面指數(shù)相同時(shí)，K為定值，稱為應(yīng)力系數(shù)。M是（2θ）-sin2ψ直線的斜率，對(duì)同一衍射面HKL，選擇一組ψ值（0°、15°、30°、45°），測(cè)量相應(yīng)的（2θ）ψ以（2θ）-sin2ψ作圖，并以最小二乘法求得斜率M，就可計(jì)算出應(yīng)力 （φ是試樣平面內(nèi)選定主應(yīng)力方向后，測(cè)得的應(yīng)力與主應(yīng)力方向的夾角）。由于K<0，所以，M<0時(shí)，為拉應(yīng)力，M>0時(shí)為壓應(yīng)力，而M=0時(shí)無應(yīng)力存在。