x射线应力分析仪说明书

X射线应力分析仪操作指南

X射线应力分析仪，作为材料力学性能无损检测领域的核心设备，其精确操作直接关系到数据的可靠性和分析的有效性。本文旨在为实验室、科研、检测及工业从业者提供一份详尽的操作说明，涵盖设备原理、关键参数设置、标准操作流程及数据解读要点，助力您高效、准确地开展X射线应力测量工作。

X射线应力分析仪基本原理

X射线应力分析仪基于X射线衍射（XRD）原理。当X射线照射到晶体材料表面时，会与晶格原子发生衍射现象。材料内部的应力会引起晶格常数的变化，进而导致衍射峰位置的移动。通过精确测量衍射峰在不同倾角的位移，即可计算出材料表面的残余应力。

• 核心公式： $ \sigma\phi = -\frac{E}{2(1+\nu)}\cot\theta0 \frac{\partial(2\theta)}{\partial(\sin^2\psi)} $ 其中：
  • $ \sigma_\phi $ 为沿特定方向 $ \phi $ 的应力。
  • $ E $ 为材料的杨氏模量。
  • $ \nu $ 为材料的泊松比。
  • $ \theta_0 $ 为无应力状态下的衍射角。
  • $ 2\theta $ 为测量到的衍射角。
  • $ \psi $ 为样品表面法线与X射线衍射矢量之间的夹角。
  
  

关键操作参数设定

标准操作流程

1. 样品准备：

   
   
   • 确保样品表面平整、清洁，无油污、氧化层等杂质。
   • 对于易氧化或易变形的材料，可能需要进行特殊表面处理（如电解抛光）。
   • 了解材料的晶体结构和晶格常数，以便选择合适的衍射峰。
   • 确定材料的杨氏模量和泊松比，或通过仪器自带功能进行标定。
   
   

2. 仪器设置与校准：

   
   
   • 连接X射线管、探测器和样品台。
   • 进行X射线管的预热，确保工作稳定。
   • 执行仪器的几何校准和零点校准，确保测量精度。
   • 根据样品信息，输入或选择预设的测量参数。
   
   

3. 测量过程：

   
   
   • 将样品精确固定在样品台上，调整样品位置，使其位于X射线焦点和探测器窗口的中心。
   • 设置倾角 $ \psi $，进行各角度下的衍射数据采集。
   • 在测量过程中，密切关注X射线计数率和探测器信号，确保信号稳定。
   • 根据需要，可进行多个区域的重复测量以提高统计精度。
   
   

4. 数据采集与分析：

   
   
   • 采集完成后，将原始衍射数据导入分析软件。
   • 对衍射峰进行背景扣除、峰拟合（如高斯、洛伦兹或 Voigt 拟合），提取精确的衍射峰位置 ($ 2\theta $) 。
   • 根据选定的晶面和公式，计算应力系数 $ K $。
   • 通过 $ \sin^2\psi $ 法或多角度法，拟合 $ 2\theta $ 随 $ \sin^2\psi $ 的关系，计算得到残余应力值。
   
   

数据解读与注意事项

• 应力类型： 测量得到的应力通常为残余应力，可以是压应力（负值）或拉应力（正值）。
• 测量深度： X射线衍射测量的应力主要反映样品表面的应力状态，实际测量深度受X射线波长、材料的吸收系数和衍射晶面影响，一般在微米到几十微米之间。
• 应力系数 $ K $： $ K $ 值对最终应力计算结果有显著影响，建议使用经过验证的材料特定 $ K $ 值，或通过标准试样进行标定。
• 几何效应： 样品表面粗糙度、样品边缘效应、样品倾斜等都会引入几何误差，需在操作中尽量避免，并在数据分析时进行相应校正。
• 多晶材料： X射线应力分析仪适用于多晶材料。测量的是宏观应力，微观应力（如晶界应力）则需要其他方法。
• 数据质量： 评估数据质量的标准主要包括衍射峰的信噪比、峰形拟合的优劣以及 $ \sin^2\psi $ 图的线性度。

通过遵循本操作指南，并结合您在实际应用中的经验，将能更有效地利用X射线应力分析仪，为您的材料表征和质量控制提供有力的技术支持。