X射线应力仪简介

早在1936年，Glocker等就建立了关于x射线应力测定的理论。但是当时由于使用照相法，需要用标准物质粉末涂敷在被测试样表面以标定试样至底片的距离，当试样经热处理或加工硬化谱线比较漫散时，标准谱线与待测谱线可能重叠，测量精度很低，因此，这种方法未受到重视，直到二十世纪四十年代末还有人认为淬火钢的应力测定是不可能的。只有在使用衍射仪后，X射线应力测定才重新引起人们的重视，并在生产中日渐获得广泛应用。美国SAE在巡回试样测定的基础上，于1960年对X射线应力测定技术进行了全面的讨论。日本于1961年在材料学会下成立了X射线应力测定分会，并在1973年颁布了X射线应力测定标准方法。

X射线应力仪

在二十世纪五十年代，X射线应力测定多采用0°~ 45°法(又称两次曝光法)，这种方法在dψϕ与sin2ψ有较好的线性关系时误差不大，但当试件由于各种原因，dψϕ与sin2ψ偏离离直线关系时，0°~ 45°法就会产生很大误差。为了解决这个问题，德国E.Macherauch在1961年提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使x射线应力测定的实际应用向前迈进了一大步。与此同时，经典的聚焦法也被准聚焦法和平行光束法所取代。其中，平行光束法允许试样位置在一定范围内变化，这就为在生产现场应用X射线应力测定技术创造了有利条件。该方法的缺点是衍射线的强度低、分辨率差，对低强度而又较漫散的谱线，测量精度不高。

上述0°~ 45°法和sin2ψ法就是通常所称的常规法(或称同倾法)，这些测试方法在测定工件特殊部位(如齿轮根部、角焊缝处)的残余应力时往往比较困难。近年来发展起来的侧倾法很好地解决了这一难题，受到普遍重视。这种方法既可以选用高2θ角、也可选用低2θ角范围内的衍射线进行测定，同时衍射强度的吸收因子与侧倾角ψ无关，并且不随2θ角而变或随2θ角只作很小变化，故线形不会因吸收而产生畸变，能提高测量精度，因而获得了广泛应用。可以在附有侧倾法机构的应力仪上进行侧倾法测量，也可以利用侧倾附件在普通衍射仪或应力仪上进行这种测量。

X射线应力仪研究进展

理想的X射线应力测量装置应兼有照相机应力测量头的轻便、衍射仪应力测量的精确和位敏探测器的高速度等特点。早期的各种照相法测应力的相机，因其测试手续麻烦，费时费工，因此未能得到充分发展和广泛使用。二十世纪五十年代以后，X射线衍射仪迅速发展起来，应力测定工作就在衍射仪上进行。用X射线衍射仪测定残余应力时需要一定的特制附件，与相机比较，虽然手续有所简化，数据也相应准确了，但只能用于试样和小工件，对中等和大型工件则无能为力。而残余应力的研究完全用试样是无法解决许多生产实际问题，所以用衍射仪测定残余应力也有一定的局限性。为了解决这些问题，日本学者做了大量的工作，他们将衍射仪的索拉光栏改为平行光束光栏，并对衍射仪的测角仪进行改进，从而使其成为能满足要求的专用X射线应力测定仪。

应力测定原理

对无织构的多晶体金属材料来说，在单位体积中含有数量极大的、取向任意的晶粒，在无应力存在时，各晶粒的同一{HKL}晶面族的晶面间距都为d0。假定有下图所示的、平行于试样表面的拉应力σϕ作用于该多晶体时。

二维残余应力原理

显而易见，与表面平行的{HKL}晶面(即ψ=0的晶面)的晶面间距，会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{HKL}晶面(即ψ=90°的晶面)的晶面间距被拉长。在上述两种取向之间的同一{HKL}晶面间距，将随ψ角的不同而不同。即是说，随晶粒取向的不同，ψ将从0连续变到90°，晶面间距的改变量Δd将从某一负值连续变到某一正值。这在宏观上即表现出该多晶体在σϕ的作用下将产生一定的应变，且应力σϕ越大，Δd的变化也越大。

对一般金属材料，X射线的穿透深度很浅，仅10μm左右，它所记录的仅仅是工件表面的应力。由于垂直于表面的应力分量为零，所以它所处理的总是二维平面应力。测定这类应力的典型方法即sin2ψ法。

根据上述原理，用波长为ψ的X射线先后数次以不同的入射角θ照射试样，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率，便可算出应力。

X射线应力仪法

X射线应力仪的核心部分为测角仪，其上装有可绕试样转动的X射线管和探测器。通过改变ψ使X射线管转动，以改变入射线的方向。目前，广泛使用的测角仪有两种，即Ω测角仪和ψ测角仪。

X射线应力仪测角仪

(1)  Ω测角仪(常规法)

Sin2ψ尹法是常规法中的经典方法，从σϕ=K1M可以看出，只要测出M即可计算出应力。为此，当以不同的角度ψ入射时，测出相应的2θ，此时ψ与2θ共面。用测定的2θ与sin2ψ作图。求出直线的斜率M后，乘以已知的应力常数K1，就能求出指定方向的应力σϕ。应该注意，ψ角所在的平面与试样表面的交线，就是所测应力的方向。常选ψ角为0°、15°、30°和45°，相应测出的2θ并非刚好位于一条直线上，此时可用最小二乘法进行数据处理。

(2) ψ测角仪(侧倾法)

ψ测角仪与Ω测角仪有很大不同，在Ω测角仪中，ψ和2θ角位于同一平面内，即试样表面法线、衍射晶面法线、入射线、衍射线和待测应力方向五者共面，而在ψ测角仪中，ψ和2θ角分别位于互相垂直的两平面内，此时试样表面法线、衍射晶面法线、待测应力方向三者共面，而入射线、衍射线和衍射晶面法线则位于另一平面。因此，为了测定ON方向的应力，必须测定法线位于NOZ平面内的晶面的2θ，此时入射线和衍射线都与OL成(90°-θ) 角。为了在不同ψ角进行测定，应倾转T轴，即X射线管和探测器同步侧倾，应力计算公式仍为σϕ=K1M。与Ω测角仪相比，ψ测角仪弥补了Ω测角仪在较大入射角度上探测不到衍射信息的缺点，可以在较大的倾角ψ下进行测量，因此适合于测定工件特殊部位(如齿轮根部、角焊缝处)的残余应力。

X射线应力仪的优、缺点

X射线应力仪优点:

1) 理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠。与其他方法相比，X射线衍射法在应力测量的定性定量方面有令人满意的可信度。

2) 可以直接测量实际工件而无需制备样品。

3) X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法 。

4) X射线法测定的是纯弹性应变。

5) X射线束的直径可以控制在2-3mm以内，可以测定一个很小范围内的应变。

6) X射线法测定的是表面或近表面的二维应力。应用这一特点，采用剥层的方法，可以测定应力沿层深的分布。

7) X射线法可以测量材料中的第二类和第三类应力。

X射线应力仪缺点:

1) X射线设备费用贵。

2) X射线对金属的穿透深度有限。只能无破坏地测定表面应力，若测深层应力及其分布，也需破坏构件，这不仅损害了X射线法的无损性本质，还将导致部分应力松弛和产生附加应力场，严重影响测量精度。

3) 当被测工件不能给出明锐的衍射峰时，测量精度亦将受到影响。

4) 被测工件表面状态对测量结果影响较大。