X射线残余应力测定仪

一、仪器用途:

本仪器依据中华人民共和国标准 GB7704--2008《X射线应力测定方法》，能够在短时间内无损地测定材料表面指定点、指定方向的残余应力（用“ + ”、“ － ”号分别表示拉、压应力）， 并具备测定主应力大小和方向的功能。在构件承载的情况下测得的是残余应力与载荷应力之代数和，即实际存在的应力。适用于各种金属材料经过各种工艺过程（如铸造、锻压、焊接、磨削、车削、喷丸、热处理及各种表面热处理）制成的构件。本系统因功能齐全而适于实验室的试验研究工作，又因轻便灵活而适于现场测量。

各种机械构件在制造时往往会产生残余应力。在制造过程中，适当的残余应力可能成为零件强化的因素，不适当的残余应力则可能导致变形和开裂等工艺缺陷; 在加工以后，残余应力将影响构件的静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀能力及形状尺寸的稳定性。 一个构件残余应力状态如何，是设计者、制造者和使用者共同关心的问题。无损地测定残余应力是改进强度设计，提高工艺效果，检验产品质量和进行设备安全分析的必要手段。

为了说明残余应力测试技术的应用场合，于此列举如下事例：

在现代机械工程中，由于焊接技术的进展，使许多巨大金属机构的制造成为可能，但随之而来的问题就包括如何测定并进而控制其残余应力的大小和分布。这是一个**不可掉以轻心的问题，它关系到工程的质量、寿命和安全。实际上，对于诸如球罐、塔器、轧辊、铁路、桥梁船舶、海上石油平台、水利水电工程中的大闸门和压力钢管等等大型构船舶、海上石油平台、水利水电工程中的大闸门和压力钢管等等大型构件，以及航空、航天、核工业的有关设备，各有关部门都已把测定和控制残余应力的问题提到重要议事日程上来。

为了消除对构件带来不良影响的残余应力，传统的热时效方法还在普遍采用，而后来兴起的振动时效技术也正逐步形成推广应用的热潮。显然，检测构件时效前后，特别是振动时效前后各部位残余应力的变化，对于确定和正确掌握时效工艺是十分必要的。

为了提高某些零件的疲痨强度，材料强度专家们提出采用喷丸、滚压、表面热处理以及表面化学热处理等办法。就其强化机理而言，这里就包括 一个至关重要的因素──残余压应力的作用。因此，无损地测定零件表面残余应力对于确定和正确掌握强化工艺也是十分必要的。 近年来在轴承、轧辊、齿轮、弹簧等等行业已经把残余应力和残余奥氏体含量测定当作必检项目，用以控制产品质量。

机械设备的失效分析表明，应力腐蚀是导致零部件损伤和断裂事故的主要原因之一。其中，因焊接或其它工艺产生的残余拉应力所引起的事故占大多数。因此对于在腐蚀介质中工作的构件，残余应力是正或是负，以及**值的大小肯定是不容忽视的参数。

许多零件经过淬火、回火、磨削之后发现了裂纹。为了判定裂纹产生的主要原因，就必须分别研究热处理应力和磨削应力。

为了保证零部件形状尺寸的准确性和稳定性，也必须重视它的残余应力现状和变化趋势。凡要求精密之处，测定关键零部件的残余应力显然是非常重要的。

在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为*可靠和*实用的。它原理成熟，方法完善，经历了七十余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了**成果。

X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项重要的功能──测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的φ角、Ψ角进行测试，以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。

采用TK-360-A型测角仪可以测定各种实体工件的织构。

二、测量原理: X射线应力测定仪

测量原理基于X射线衍射理论。 当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如左图所示）。X射线的波长λ、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从**的布拉格定律：

2d Sinθ＝n λ （n＝1，2，3……）

在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 会相应改变。因此我们有可能通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。

关于X射线应力测量原理还可以作如下进一步的解释：

众所周知，对于晶粒不粗大、无织构的多晶材料来说，在一束X光照射范围内便有许许多多个晶粒， 其中必有许多晶粒，其指定的（h k l）晶面平行于试样表面，晶面法线与表面法线夹角ψ为0；也必有许多晶粒，其（h k l）晶面法线与表面法线成任意的ψ。首先，如图A所示，以试样表面某点(o点)法线为轴，将一束适当波长的X光和探测器（计数管）对称地指向该点O，并同步地相向扫描改变入射角和反射角。根据布拉格定律，可以找到平行于试样表面的（h k l）晶面的衍射峰和对应的衍射角2θ 。这个由X光束和计数管轴线组成的平面称作扫描平面，衍射晶面的法线必在扫描平面内，并居于X光束和计数管轴线二者角平分线的位置上。让我们记住，此时扫描平面与试样表面垂直，衍射晶面与试样表面平行，ψ＝0（如图B）。然后，扫描平面以图A中直线OY为轴转过一个ψ角（如图C），同样也可以得到（h k l）晶面的衍射峰和对应的衍射角2θ ，这时，衍射晶面法线与试样表面法线夹角为ψ（如图D)。

图A 图 B 图 C 图 D

在无应力状态下，对于同一族晶面（h k l）来说，无论它居何方位，即无论ψ角等于何值，晶面间距d均相等；根据布拉格定律，相应的衍射角2θ也应相等。当有应力存在时，譬如沿图中OX方向存在拉应力，则平行于表面（即ψ＝0）的（h k l）晶面，其间距d会因泊松比的关系而缩小（见图B）；随着ψ角的增大，晶面间距d会因拉应力的作用而增大（见图D）。于是相应的衍射角2θ也将随之改变──按照布拉格定律，d 变小，则2θ变大；d 变大，则2θ变小。显然2θ随ψ角变化的急缓程度与应力σ大小密切相关。对于各向同性的多晶材料，在平面应力状况下，依据布拉格定律和弹性理论可以导出，应力值σ正比于2θ随Sin ψ变化的斜率M，即

σ＝K·M

????2θ

M＝ ——————

??Sin2 ψ

式中K为应力常数，

E π

K = — ————— Ctgθ0 ·————

? 2（1+μ） 180

式中E为杨氏模量，μ为泊松比，θ0为无应力状态的布拉格角。对于指定材料，K值可以从资料中查出或通过实验求出。这样，测定应力的实质问题就变成了选定若干ψ角测定对应的衍射角2θ。 X-350A X射线应力测定仪可以自动完成测量并给出*终结果和某些有价值的物理参数。

X射线应力测定仪

三、仪器结构：

本仪器主机由以下五部分组成：PC微机、主控箱、高压电源箱、测角仪及台式支架、PC 微机的*低配置应能支持Windows7/xp。

主控箱内有高压电源控制系统、接口线路和单片机系统、步进电机驱动器、计数放大器，以及1500V、24V、5V电源。

高压电源箱输出15kV～30kV电压，通过高压电揽供给测角仪上的 X 射线管。 测角仪是测量执行机构。仪器的核心部件 X 射线管和 X 射线探测器就装在测角仪上。本仪器的测角仪为θ-θ扫描Ψ测角仪。这是本研究所的**技术。

X 射线管和 X 射线探测器同步等量相背扫描，二者各前进一个 θ，则衍射角改变 2θ，故名θ-θ扫描。在整个扫描过程中，衍射晶面法线保持不动，准确体现固定Ψ法的几何要求。

将上述θ-θ扫描平面设置在与Ψ平面相垂直的位置上，衍射晶面法线含于θ-θ扫描平面之中，且处在与试样表面垂直的平面里。这样，可以直观地看出，当θ-θ扫描平面沿着Ψ导轨转动时，该平面与试样表面之夹角就是Ψ角——衍射晶面与试样表面法线之夹角。这正是侧倾法的几何布置。所谓Ψ 测角仪，其实质即在于此。

测角仪上采用了圆弧滚动导轨、谐波齿轮等先进机械元件，运动精密而流畅。

台式支架用于支承测角仪。它包含 X、Y、Z 三个平移机构，均采用直线滚动导轨。底座和加长脚上装有螺栓支脚。调整螺栓支脚可以保证测角仪的主轴线与测试点法线重合。调整 Z 向平移机构可以校准测角仪至测试点的距离。调整 X、Y 平移机构则是为了对准选定的测试点，便于连续测定应力在工件表面各点的分布。螺栓支脚下端的球头用于连接电控永磁吸盘。立柱可以旋转360°，在采用了吸盘之后，旋转立柱可以扩大测试范围。

残余应力测定仪

四、功能特点：

X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法， 侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性；从另一角度分类又分为固定ψ0法和固定ψ法，后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来，即在侧倾的条件下实施固定ψ法便会产生喜人的新特点──吸收因子恒等于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会倾斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化（如图所示）。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以行家们的共识：侧倾固定ψ法是*理想的测量方法 。然而，除了国产X-350A型以外，迄今国内外尚无以侧倾固定ψ法为主的应力测定仪。在X射线应力测定领域里普遍采用的都是同倾固定ψ 0法。对于使用多功能仪器者来说，虽然在必要时可以实现固定ψ法和侧倾法，但是由于仪器机构和功能的限制，总会伴随诸多困难和麻烦，更难应用于现场测量。新型 X-350A X射线应力测定仪当年便是在这种情况下应运而生的。本仪器以其**性和先进性获得国家**(ZL **号：98244375.7)。我公司具有θ-θ扫描Ψ测角仪的完全独立的知识产权。其功能特点如下：

１、本仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计，使得在2θ平面上的X光管和探测器同时等速相对而行，严格满足固定ψ法的几何要素；另外，又使2θ平面与ψ平面相互独立。这样便保证了本系统以侧倾固定ψ法为主，实现理想的测量方法；同时保持结构简洁灵活轻便的特点。2θ扫描范围：120°～170°，在侧倾法的条件下，测定应力既可利用高衍射角又可利用较低衍射角.这样，除适用于铁素体型钢和铸铁材料之外，还为奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金以及高温合金、硬质合金等材料的应力测定带来方便并可提高测量精度。侧倾固定Ψ法另一特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性，特别是对于齿轮的齿根部位。

２、本仪器θ-θ扫描Ψ测角仪的衍射几何 为聚焦法。如图所示。在 X 射线管和 X 射线探测器以θ-θ方式沿测角仪圆扫描过程中，X 光源点、试样上被照射点和探测器接受点，三者随时同处在一个聚焦圆上，当然，随着扫描过程，聚焦圆的大小是逐步变化的。

３、测定残余奥氏体含量更为便当。本仪器2θ扫描范围120°～170°， 一次扫描可以得到αFe(211) 、γFe(220)两个完整的衍射峰，无需另外安装延长扫描范围的附件，测试更加方便、快捷、准确。而且可以针对同一测试点取不同的Φ角、角进行测定，以便探测织构的影响。必要时，可以做到残奥含量和残余应力同时测定，亦即一次测量得到残奥含量和残余应力两项数据。这些都是本仪器独有的功能，对于各种实体工件具有极其可贵的实用价值。

４、支架与测角仪之间可以装备针对同一测试点转Φ角的连接机构，这样即可测定主应力的大小及其方向，测定剪切应力。

５、应用PC微电脑，Windows 环境操作，界面友好，使用方便。提供侧倾、同倾固定ψ法、摆动法应力测定以主应力计算、残奥测定等专用软件，丰富而实用。自动生成专业而翔实的实验报告；根据用户要求，还可以生成英文版实验报告。

６、引入交相关法进行数据处理，显著提高定峰和应力测量精度。

７、为X光管配置高压开关电源，**功率30KV×10mA，稳定度优于0.1% 。

８、采用微型激光器校准测试点的位置与方向。

应力测定仪

五、主要技术参数:

★测量方法：侧倾固定ψ法，摆动法，残奥测定，织构测定。

定峰方法：交相关法，半高宽法，抛物线法，重心法。

仪器精度：采用还原铁粉作为标准试样。 使用Cr靶Kα辐射，铁粉（211）晶面，衍射角2θ测定误差在±0.015°以内；铁粉应力测量值应稳定达到在±10MPa以内。

★测角仪型式：θ-θ扫描ψ测角仪

★２θ扫描范围：120°～170°；

２θ扫描*小步距：0.01°

２θ扫描每步计数时间：0.1S～20S

ψ角范围：0°～ 65°

ψ角摆动角度：0°～±6°

X射线管电压：15～30kV，连续可调

X射线管电流：3～10mA，连续可调

X射线管靶材：Cr， Co， Cu， 其中Cr靶为常备，其余供选购。

衍射几何：聚焦法

准直管直径：提供产生直径分别为?1、? 1.5、? 3、? 4.5、? 6mm X光斑的准直管。

测角仪重量：10 kg

*简装置总重量：45 kg

供电要求：AC 220V±10%，1000W，50Hz

应力测定仪