XRD测试残余应力：原理、方法与应用

XRD测试残余应力：原理、方法与应用

引用

百度

1.

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1822110516562962010

X射线衍射法（XRD）是一种常用的残余应力测量方法，通过分析X射线在金属晶格中的衍射现象，可以准确测量材料中的残余应力。本文将详细介绍XRD测量残余应力的基本原理、主要方法、操作步骤及其优缺点和应用范围。

基本原理

X射线穿透金属晶格时会发生衍射，依据布拉格定律

（其中
为晶面间距，
为衍射角，
为X射线波长，
为整数），当试样中存在残余应力时，会导致原子间晶面间距
变化，进而使衍射角
发生偏移。通过测量衍射角的偏移得到应变，再根据弹性力学计算出残余应力。例如，在拉应力状态下，晶面方位角
越大，晶面间距
越大，衍射角
越小；在压应力状态下，晶面方位角
越大，晶面间距
越小，衍射角
越大。可以通过公式
（其中
为残余应力，
为弹性模量，
为泊松比）计算应力值，只要测出不同晶面方位角
对应的衍射角
，求出
对
的斜率，就可以算出应力。

主要测量方法

• 同倾法：试样的转轴与衍射仪的轴重合，角在计数管扫描平面内变化，测定的是试样横向的表面应力。
• 侧倾法：试样的转轴与衍射仪的轴垂直，试样表面法线与计数管扫描平面之间的夹角为，测定的是试样轴向（轴方向）的表面应力。
• GID法：以小角度掠射的方法进行残余应力分析，主要适用于薄膜样品。

操作步骤

• 样品准备：确保样品表面平整、干净，对于有涂层或氧化层的样品，可能需要进行适当处理以获得准确的测量结果。
• 设备调试：选择合适的X射线源和探测器，设置扫描范围、扫描步长、测量时间等参数。例如，对于某种材料的样品，可能选择Cu靶X射线源，扫描范围为，扫描步长为，测量时间根据衍射强度确定，以保证曲线平滑。
• 测量与数据处理：将样品放置在衍射仪上进行测量，得到衍射图谱。通过分析衍射图谱确定衍射峰位置，计算不同晶面方位角对应的衍射角的变化，进而计算出残余应力。

优缺点

• 优点：属于无损检测方法，不会对样品造成破坏；可以测量材料表面的残余应力，对研究材料表面性能和失效机制有重要意义；测量精度较高，能够满足大多数工程应用的需求。
• 缺点：设备昂贵，测试成本高；对样品的要求较高，需要样品表面平整、干净，且具有一定的结晶度；测量深度较浅，一般只能测量材料表面几微米到几十微米深度范围内的残余应力。

应用范围

广泛应用于材料科学、制造业、航空航天、汽车等领域，可用于检测金属喷丸、机加工、热处理、焊接等工艺过程中产生的残余应力，评估材料性能、优化制造工艺并确保产品质量。例如，在航空航天领域，可用于检测飞机发动机叶片、机翼等关键部件在制造和使用过程中的残余应力，以保证其可靠性和安全性。