基于x射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析測(cè)試，尤其涉及一種基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè) 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在材料生產(chǎn)、處理或加工過(guò)程中，由于材料的局部區(qū)域變形的不均勻性從而在材 料中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布可以成為有利因素提高材料的性能。例如通過(guò) 噴丸強(qiáng)化技術(shù)，在金屬工件表面形成殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，可有效提高工件的使用壽命。因此，為 了更好地利用殘余應(yīng)力優(yōu)化材料性能，就需要檢測(cè)和控制材料在生產(chǎn)中各個(gè)工序的殘余應(yīng) 力。
[0003] X射線衍射技術(shù)，理論基礎(chǔ)比較嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)日漸完善，無(wú)需破壞試樣是目前殘 余應(yīng)力分析的有效方法之一。然而該方法在測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，需要設(shè)置不同的測(cè)量?jī)A斜角， 同時(shí)對(duì)測(cè)試材料也有一定的限制。例如當(dāng)多晶材料中存在織構(gòu)時(shí)，傳統(tǒng)方法就很難實(shí)現(xiàn)。
[0004] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，M.Guagliano等人在《EngineeringFailure Analysis，2002,Vol. 9,No. 2,ppl47-158》（工程失效分析，2002 年，9 卷，第 2 期，第 147-158 頁(yè)）發(fā)表了"Contactfatiguefailureanalysisofshot-peenedgears，'論 文，研究了殘余應(yīng)力對(duì)齒輪疲勞壽命的影響，指出殘余應(yīng)力值是分析齒輪強(qiáng)化效果的一個(gè) 重要指標(biāo)。P.J.Withers等人在《MaterialsScienceandTechnology，2001，Vol.l7， No. 4,pp355-365》（材料科學(xué)與技術(shù)，2001年，17卷，第4期，第355-365頁(yè)）上發(fā)表了 "Overview-ResidualstressPartl-Measurmenttechniques"論文，總結(jié)了X射線衍射法 測(cè)量殘余應(yīng)力的方法以及不足，如果材料中存在織構(gòu)，傳統(tǒng)X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力的 結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，就是為了提供一種基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量 方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于X射線衍射全譜的多 晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法，其具體步驟、工作過(guò)程和原理如下：
[0007] 1、利用X射線衍射儀獲取多晶體材料的X射線衍射全譜
[0008] 對(duì)于多晶材料，當(dāng)X射線照射在多晶材料表面時(shí)，如果衍射角與衍射晶面符合布 拉格衍射方程時(shí)，相應(yīng)的衍射峰就會(huì)出現(xiàn)加強(qiáng)。多晶材料的衍射幾何如圖1所示。
[0009] 2、建立多晶材料的應(yīng)力-應(yīng)變表達(dá)關(guān)系式
[0010] 其原理是，設(shè)立樣品坐標(biāo)系，讓X軸、Y軸位于樣品表面互相垂直，Z軸平行于樣品 表面法線方向。對(duì)于橫向各向同性材料其沿樣品坐標(biāo)系中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可以表示為：
[0011] 0x =CneX+C12ey+C13ez
[0012] 0y=ci2eX+Cney+C13ez
[0013] 0z =C13eX+C13ey+C33ez (1)
[0014] 式中，〇 x、〇 y、〇z為應(yīng)力，Cn、C12、C13、C33為材料彈性系數(shù)，ex、ey、ez為沿樣品 坐標(biāo)系的應(yīng)變，當(dāng)表面為二維應(yīng)力時(shí)，= 〇,在此邊界條件下應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為：
[0015] (2)
[0016] 當(dāng)表面應(yīng)力各向同性時(shí)，〇x= 〇y，上式可以簡(jiǎn)化為：
[0017] (3)
[0018] 3、利用X射線衍射全譜求解應(yīng)變值ez
[0019] 在多晶材料中，如果存在m種晶粒取向，則沿樣品表面法線Z軸的應(yīng)變可以表示為 每種取向晶粒沿Z軸的應(yīng)變與該種取向體積分?jǐn)?shù)乘積之和，具體表達(dá)式為：
[0020] (4)
[0021 ] 其中每種取向晶粒沿Z軸的應(yīng)變以及不同取向晶粒的體積分?jǐn)?shù)均可以利用X射線 衍射譜線獲得，（hxkxlx)取向晶粒其沿Z軸的應(yīng)變可以利用樣品實(shí)測(cè)的晶面間距變化Ac或者衍射角的變化(弧度制）表示，具體表達(dá)式為：
[0022]
(5)
[0023] 式中為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的晶面間距，盡為X射線衍射角。同時(shí)，不同取向晶粒 的體積分?jǐn)?shù)可以表示為：
[0024] (6)
[0025] 式中/W*為（hxkxlx)取向晶粒的實(shí)測(cè)衍射強(qiáng)度，為樣品無(wú)應(yīng)力無(wú)織構(gòu)條件下 的衍射強(qiáng)度，可從標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取。
[0026] 4、利用衍射全譜以及多晶材料的彈性系數(shù)求解殘余應(yīng)力
[0027] 對(duì)獲得的X射線衍射譜線采用公式（4)計(jì)算出樣品沿Z軸的應(yīng)變值ez，然后結(jié)合 材料彈性系數(shù)代入公式（3)中求解樣品殘余應(yīng)力。
[0028] 本發(fā)明基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法，考慮了多晶體材料的 不同晶粒取向，有效的避免了多晶體的擇優(yōu)取向?qū)鹘y(tǒng)X射線應(yīng)力測(cè)量方法的影響。同時(shí) 該方法僅需一張X射線衍射圖譜，通過(guò)計(jì)算即可獲得殘余應(yīng)力值，十分方便。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是多晶材料樣品的X射線衍射幾何不意圖。
[0030] 圖2是實(shí)施例中多晶材料的衍射全譜。
[0031] 圖3是實(shí)施例多晶材料采用不同噴丸強(qiáng)度處理后的殘余應(yīng)力值。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例：
[0033] 多晶材料樣品為304奧氏體不銹鋼，樣品尺寸為20mmX20mmX5mm，分為三組。利 用氣動(dòng)噴丸機(jī)及小〇. 6mm的高強(qiáng)度鋼絲切丸，對(duì)樣品表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，三組噴丸強(qiáng) 度（以A型Almen試片弧高值表示）分別為：0? 30mm，0. 35mm，0. 40mm。
[0034] 材料X射線衍射全譜測(cè)量參數(shù)設(shè)置
[0035] 在試驗(yàn)中具體的X射線衍射儀測(cè)量參數(shù)為管電壓：40kV，管電流：30mA，Cu-K a輻 射，掃描速度2° /min，掃描步幅為0. 01°，設(shè)置掃描范圍為35° -100°。
[0036] 利用X射線衍射儀獲取304奧氏體不銹鋼不同噴丸強(qiáng)度的X射線衍射譜線。
[0037] 采用衍射儀（RigakuUltimaIV)，依照式（2)中的測(cè)試參數(shù)，獲得不同噴丸強(qiáng)度的 X射線衍射全譜，具體見(jiàn)圖2。
[0038] 利用衍射全譜數(shù)據(jù)以及304奧氏體不銹鋼彈性系數(shù)，計(jì)算其殘余應(yīng)力值。
[0039] 對(duì)X射線衍射譜線按照式（4)_式（6)計(jì)算沿Z軸應(yīng)變，結(jié)合304奧氏體不銹鋼彈 性系數(shù)，代入式（3)中計(jì)算出不同噴丸強(qiáng)度下的殘余應(yīng)力值，結(jié)果見(jiàn)圖3。
[0040] 測(cè)量結(jié)果表明，利用X射線衍射全譜分析多晶體材料殘余應(yīng)力結(jié)果與報(bào)道的傳統(tǒng) 方法結(jié)果基本吻合。該方法理論清晰，僅需一張X射線衍射圖譜即可計(jì)算出殘余應(yīng)力值，且 考慮了多晶體材料中不同晶粒取向，能確保X射線應(yīng)力測(cè)定結(jié)果的可靠性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步 驟： A、 利用X射線衍射儀獲取多晶材料樣品的X射線衍射全譜； B、 建立多晶材料樣品的應(yīng)力-應(yīng)變表達(dá)關(guān)系式， 該應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為：(3) 式中，0x為沿樣品坐標(biāo)系X軸的應(yīng)力、〇y為沿樣品坐標(biāo)系Y軸的應(yīng)力，Cn、C12、C13、C33 為材料的彈性系數(shù)，ez為沿樣品坐標(biāo)系Z軸的應(yīng)變； C、 利用X射線衍射全譜求解應(yīng)變值ez 龍解表伏式為：(4) 式中，m為晶粒取向數(shù)，vW#為晶粒取向是（hxk丄）的晶粒體積分?jǐn)?shù)； D、 利用衍射全譜以及多晶材料的彈性系數(shù)求解殘余應(yīng)力 將應(yīng)變值％結(jié)合多晶材料的彈性系數(shù)代入表達(dá)式（3)中求解，得到多晶材料的殘余 應(yīng)力。2. 如權(quán)利要求1所述的基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法，其特征在 于：利用單張X射線衍射譜線以及多晶材料的彈性系數(shù)，結(jié)合建立的多晶材料應(yīng)力應(yīng)變表 達(dá)式求解出材料殘余應(yīng)力值。
【專利摘要】一種基于X射線衍射全譜的多晶材料殘余應(yīng)力測(cè)量方法，是利用一張X射線衍射譜線，在考慮了多晶體晶粒取向的基礎(chǔ)上，獲得多晶體材料平面應(yīng)變，在此基礎(chǔ)上結(jié)合多晶體材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，最終計(jì)算出多晶體材料殘余應(yīng)力值。本發(fā)明在計(jì)算材料應(yīng)變過(guò)程中考慮了多晶體材料晶粒取向，避免了由于多晶體材料的擇優(yōu)取向?qū)鹘y(tǒng)X射線衍射應(yīng)力分析方法的影響，為多晶體材料殘余應(yīng)力測(cè)量提供了一種方便快捷的方法。
【IPC分類】G06F19/00, G01L1/25, G01N23/20
【公開(kāi)號(hào)】CN105021331
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410177546
【發(fā)明人】詹科, 鄭學(xué)軍, 祝元坤, 王丁, 韓昊
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2014年4月29日