專利名稱：中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置與方法。
背景技術(shù)：
機(jī)械零件或大型構(gòu)件在制造時(shí)，各種工藝過(guò)程往往都會(huì)給它留下殘余應(yīng)力(外力撤除后在材料內(nèi)部殘留的應(yīng)力)；另有一些制造工藝，例如噴丸、滾壓等，本身就是為了給工件增添適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力。在制造過(guò)程中，適當(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長(zhǎng)零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開(kāi)裂等早期失效事故。所以，一個(gè)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)如何，是設(shè)計(jì)者、制造者和使用者共同關(guān)心的問(wèn)題。無(wú)損地測(cè)定殘余應(yīng)力是改進(jìn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、提高工藝效果、檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行設(shè)備安全分析的必要手段， 在很多行業(yè)，殘余應(yīng)力測(cè)試已成必需的檢驗(yàn)和控制手段。目前殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法中使用最多的是X射線衍射法。X射線衍射法依據(jù)X射線衍射原理，即布拉格定律Odsine =ηλ，其中d為晶面間距，θ為衍射半角，η為衍射級(jí)數(shù)，λ為所用靶的波長(zhǎng))，把宏觀上可以準(zhǔn)確測(cè)定的衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關(guān)系。材料中的應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變必然表征為晶面間距的相對(duì)變化。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2 θ也會(huì)相應(yīng)改變。因此有可能通過(guò)測(cè)量衍射角2 θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求得應(yīng)力ο，X射線法已經(jīng)很成熟，它的主要特點(diǎn)是1)屬于物理方法，不改變?cè)嚇拥脑紤?yīng)力狀態(tài)；幻理論嚴(yán)謹(jǐn)，方法成熟；幻測(cè)定的是表面應(yīng)力，對(duì)材料的表層狀態(tài)比較敏感，須對(duì)測(cè)試點(diǎn)作適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚?)可以借助電解拋光等手段測(cè)定應(yīng)力沿層深的分布。用于殘余應(yīng)力測(cè)定的Cr、Fe、Co靶X射線管發(fā)出的標(biāo)識(shí)X射線，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在銅或鋼鐵材料中的穿透深度僅為10微米左右。而同步輻射裝置可以提供較短的波長(zhǎng)，但其對(duì)銅或鋼鐵材料的穿透深度也僅在250微米范圍內(nèi)。所以，X射線和同步輻射測(cè)定的只是試樣表面或次表面某點(diǎn)的殘余應(yīng)力，若要測(cè)殘余應(yīng)力沿層深的分布，必須對(duì)試樣或工件進(jìn)行破壞性的多次剝層和多次測(cè)定。剝層會(huì)引起殘余應(yīng)力釋放，形狀簡(jiǎn)單的試樣可以按一定的公式進(jìn)行殘余應(yīng)力剝層校正，但形狀復(fù)雜的工件則無(wú)法進(jìn)行這種校正。另外，剝層測(cè)定工作量大， 測(cè)量精度差，是破壞性的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中X射線和同步輻射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置和方法只能無(wú)損測(cè)定表面殘余應(yīng)力的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置與方法，通過(guò)該裝置與方法，實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件的三維、無(wú)損和深度應(yīng)力的測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，包括
水平孔道用于引出反應(yīng)堆的白光中子源；準(zhǔn)直器用于將反應(yīng)堆水平孔道引出的白光中子源轉(zhuǎn)變成平行中子束流；光闌用于限制第一準(zhǔn)直器射出的中子束流的數(shù)量；單色器用于將通過(guò)光闌后的中子束流單色化；入射狹縫用于限制單色化后的中子束流的高度和寬度；樣品臺(tái)用于放置待測(cè)樣品；出射狹縫用于限制與樣品作用發(fā)生衍射后射出的中子束流的寬度；中子探測(cè)器用于記錄發(fā)生衍射后由出射狹縫射出的中子的數(shù)目；中子捕集器用于捕集測(cè)定過(guò)程中穿透待測(cè)樣品的直接中子束；其中，單色器放置在可旋轉(zhuǎn)屏蔽大鼓內(nèi)部的空腔中；入射狹縫連接在屏蔽大鼓的可旋轉(zhuǎn)部分；出射狹縫連接在中子探測(cè)器支架上；樣品臺(tái)圍繞單色器中心轉(zhuǎn)動(dòng)，中子探測(cè)器圍繞樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)一步，如上所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，該測(cè)定裝置還包括用來(lái)記錄單色器發(fā)出的單色中子數(shù)目的第一監(jiān)視器、用來(lái)調(diào)整入射狹縫的位置和樣品邊界掃描定位的第二監(jiān)視器、用來(lái)標(biāo)定樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心和樣品定位的機(jī)器視覺(jué)定位系統(tǒng)、用來(lái)檢查樣品放置的位置和確定中子束流高度的經(jīng)緯儀和大鼓驅(qū)動(dòng)電機(jī)。進(jìn)一步，如上所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，所述可旋轉(zhuǎn)屏蔽大鼓包括用于改變單色器起飛角的活動(dòng)扇形屏蔽塊；單色器起飛角的范圍為41° 109°。進(jìn)一步，如上所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，入射狹縫和出射狹縫是利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，狹縫開(kāi)口尺寸由全部閉合到IOmmX 40mm。更進(jìn)一步，如上所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，所述視覺(jué)定位系統(tǒng)為CCD相機(jī)?；谏鲜鲋凶友苌錃堄鄳?yīng)力測(cè)定裝置的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，包括以下步驟(Si)校準(zhǔn)中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置調(diào)整入射狹縫和出射狹縫的位置，使入射狹縫的中心位置，與單色器中子束流的中心和樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的連線重合，使出射狹縫的中心位置，與樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心和中子探測(cè)器中心的連線重合；(S2)測(cè)量無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的衍射角；(S3)測(cè)量待測(cè)樣品的衍射角；測(cè)量的具體步驟如下(S3-1)將待測(cè)樣品固定在樣品臺(tái)上，使測(cè)量點(diǎn)位于入射狹縫和出射狹縫確定的待測(cè)樣品的體積中心；(S3-2)沿設(shè)定的掃描路徑，依次測(cè)量待測(cè)樣品縱向、橫向和法向三個(gè)方向上的所有測(cè)量點(diǎn)，得到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的衍射角；縱向是指平行于激光掃描路徑的方向，橫向是指晶體面內(nèi)垂直于激光掃描路徑的方向，法向是指垂直于晶體表面的方向；(S4)根據(jù)無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的衍射角值與各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的衍射角，計(jì)算得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變值和應(yīng)變誤差，根據(jù)應(yīng)變值與應(yīng)變誤差計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)力值與應(yīng)力值誤差。進(jìn)一步，如上所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，步驟中，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變值的公式為
權(quán)利要求
1.中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，其特征在于包括 水平孔道用于引出反應(yīng)堆的白光中子源；準(zhǔn)直器(1)用于將反應(yīng)堆水平孔道引出的白光中子源轉(zhuǎn)變成平行中子束流； 光闌(2)用于限制第一準(zhǔn)直器射出的中子束流的數(shù)量； 單色器(3)用于將通過(guò)光闌后的中子束流單色化； 入射狹縫(6)用于限制單色化后的中子束流的高度和寬度； 樣品臺(tái)(4)用于放置待測(cè)樣品；出射狹縫(7)用于限制與樣品作用發(fā)生衍射后射出的中子束流的寬度； 中子探測(cè)器(5)用于記錄發(fā)生衍射后由出射狹縫射出的中子的數(shù)目； 中子捕集器(1 用于捕集測(cè)定過(guò)程中穿透待測(cè)樣品的直接中子束； 其中，單色器(3)放置在可旋轉(zhuǎn)屏蔽大鼓(13)內(nèi)部的空腔中；入射狹縫(6)連接在屏蔽大鼓(1 的可旋轉(zhuǎn)部分；出射狹縫(7)連接在中子探測(cè)器( 支架上；樣品臺(tái)(4)圍繞單色器(3)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，中子探測(cè)器(5)圍繞樣品臺(tái)(4)的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，其特征在于該測(cè)定裝置還包括用來(lái)記錄單色器發(fā)出的單色中子數(shù)目的第一監(jiān)視器(8)、用來(lái)調(diào)整入射狹縫的位置和樣品邊界掃描定位的第二監(jiān)視器(9)、用來(lái)標(biāo)定樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心和樣品定位的機(jī)器視覺(jué)定位系統(tǒng)(10)、用來(lái)檢查樣品放置的位置和確定中子束流高度的經(jīng)緯儀(11)和大鼓驅(qū)動(dòng)電機(jī) (16)。
3.如權(quán)利要求1所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，其特征在于所述屏蔽大鼓 (13)包括用于改變單色器起飛角的活動(dòng)扇形屏蔽塊(14)；單色器起飛角的范圍為41° 109°。
4.如權(quán)利要求1所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，其特征在于入射狹縫(6)和出射狹縫(7)是利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，狹縫開(kāi)口尺寸由全部閉合到IOmmX40mm。
5.如權(quán)利要求2所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置，其特征在于所述視覺(jué)定位系統(tǒng)為CXD相機(jī)。
6.中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，包括以下步驟(51)校準(zhǔn)中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置調(diào)整入射狹縫和出射狹縫的位置，使入射狹縫的中心位置，與單色器中子束流的中心和樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的連線重合，使出射狹縫的中心位置，與樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心和中子探測(cè)器中心的連線重合；(52)測(cè)量無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的衍射角；(53)測(cè)量待測(cè)樣品的衍射角；測(cè)量的具體步驟如下(S3-1)將待測(cè)樣品固定在樣品臺(tái)上，使測(cè)量點(diǎn)位于入射狹縫和出射狹縫確定的待測(cè)樣品的體積中心；(S3-2)沿設(shè)定的掃描路徑，依次測(cè)量待測(cè)樣品縱向、橫向和法向三個(gè)方向上的所有測(cè)量點(diǎn)，得到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的衍射角；縱向是指平行于激光掃描路徑的方向，橫向是指晶體面內(nèi)垂直于激光掃描路徑的方向，法向是指垂直于晶體表面的方向；(54)根據(jù)無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的衍射角值與各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的衍射角，計(jì)算得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變值和應(yīng)變誤差，根據(jù)應(yīng)變值與應(yīng)變誤差計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)力值與應(yīng)力值誤差。
7.如權(quán)利要求6所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，其特征在于步驟(Si)中所述的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心是通過(guò)如下方式確定的在樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)中心放置一細(xì)針，通過(guò)細(xì)針在相機(jī)中成像的位置來(lái)判斷其是否處于轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸上，具體步驟為1)目測(cè)樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸位置，放置細(xì)針；2)調(diào)整相機(jī)的位置，使細(xì)針在相機(jī)鏡頭的中心位置成像；3)分別記錄轉(zhuǎn)臺(tái)位于0°和180°時(shí)，細(xì)針兩邊緣的位置信息，并計(jì)算兩邊緣位置的平均值；4)查看轉(zhuǎn)臺(tái)位于0°和180°時(shí)，細(xì)針兩邊緣位置的平均值是否相同，若是則確定細(xì)針位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的垂直于中子束流的平移軸方向直線上；若否則移動(dòng)細(xì)針，直到轉(zhuǎn)臺(tái)位于 0°和180°時(shí)細(xì)針兩邊緣位置的平均值相同；5)分別記錄轉(zhuǎn)臺(tái)位于+90°和-90°時(shí)，細(xì)針兩邊緣的位置信息，并計(jì)算兩邊緣位置的平均值；6)查看轉(zhuǎn)臺(tái)位于+90°和-90°時(shí)，細(xì)針兩邊緣位置的平均值是否相同，若是則確定細(xì)針位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的平行于中子束流的平移軸方向直線上，若否則移動(dòng)細(xì)針，直到轉(zhuǎn)臺(tái)位于+90°和-90°時(shí)細(xì)針兩邊緣位置的平均值相同；最終使細(xì)針位于轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸上。
8.如權(quán)利要求6所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，其特征在于步驟(S4)中，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變值的公式為Ad Sin^0 , Λ Λ Λε =——=---1 = -A0cot6 od0 sin θ其中，ε表示應(yīng)變，Cltl表示無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的晶面間距、Ad表示發(fā)生應(yīng)變后待測(cè)樣品晶面間距的變化值，θ ^表示無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品的布拉格衍射峰的峰位，θ表示待測(cè)樣品的布拉格衍射峰的峰位，Δ θ = θ-θ0；根據(jù)應(yīng)變值計(jì)算應(yīng)力值的公式為σ"=(1+4—2ν)[(ι_κ+￡』 =(i+vDK+v(、+g』 =(i+U-κ其中，σχχ、0yy、σζζ分別表示待測(cè)樣品橫向、縱向、法向的應(yīng)力，εχχ、￡yy、εζζ分別表示待測(cè)樣品橫向、縱向、法向的應(yīng)變，ν為泊松比，E為彈性模量；應(yīng)變的誤差與應(yīng)力誤差的計(jì)算公式為δ ex = ctg0oX [(δ θχ)2+(δ θ 0)2]"2δ Ey = Ctge0X [(δ θ/+(δ θ 0)2]"2
9.如權(quán)利要求6或8所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，其特征在于步驟(S3-2) 中，對(duì)待測(cè)樣品三個(gè)方向上的測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，包括每一個(gè)方向上同一測(cè)量點(diǎn)的不同深度的測(cè)量，深度是以固定步長(zhǎng)為單位進(jìn)行增加的。
10.如權(quán)利要求9所述的中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定方法，其特征在于所述步長(zhǎng)是根據(jù)待測(cè)樣品的應(yīng)力梯度確定的，步長(zhǎng)的范圍為0. Olmm 2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置與方法，該裝置使用反應(yīng)堆中子源，經(jīng)過(guò)單色器單色化后，得到所需的某一波長(zhǎng)的單色中子束流，并利用該中子束流進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)定。由于中子不帶電荷，和物質(zhì)相互作用時(shí)與核外電子幾乎沒(méi)有作用，不需克服電荷庫(kù)侖力障礙，因而能量較低的中子也能進(jìn)入到原子內(nèi)；大多數(shù)材料對(duì)中子吸收也很低，所以入射中子束的穿透深度較深。同時(shí)通過(guò)準(zhǔn)直器和狹縫準(zhǔn)直、限定的中子束流還具有很高的空間分辨率，通過(guò)三個(gè)方向互相垂直的平移與繞測(cè)試中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件的三維、無(wú)損和深度的應(yīng)力測(cè)試工作，克服了X射線和同步輻射殘余應(yīng)力測(cè)定裝置只能無(wú)損測(cè)定晶體材料表面及近表面殘余應(yīng)力的不足。
文檔編號(hào)G01N23/20GK102435623SQ201110276888
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者余周香, 劉曉龍, 劉榮燈, 劉蘊(yùn)韜, 吳立齊, 孫凱, 孫碩, 張莉, 李天富, 李峻宏, 李眉娟, 李際周, 梁峰, 武梅梅, 焦學(xué)勝, 王洪立, 祖勇, 肖紅文, 胡瑞, 陳東風(fēng), 陳娜, 韓文澤, 韓松柏, 高建波 申請(qǐng)人:中國(guó)原子能科學(xué)研究院