CN102435623B - 中子衍射残余应力测定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中子衍射残余应力测定装置与方法，该装置使用反应堆中子源，经过单色器单色化后，得到所需的某一波长的单色中子束流，并利用该中子束流进行残余应力的测定。由于中子不带电荷，和物质相互作用时与核外电子几乎没有作用，不需克服电荷库仑力障碍，因而能量较低的中子也能进入到原子内；大多数材料对中子吸收也很低，所以入射中子束的穿透深度较深。同时通过准直器和狭缝准直、限定的中子束流还具有很高的空间分辨率，通过三个方向互相垂直的平移与绕测试中心点转动来实现被测试件的三维、无损和深度的应力测试工作，克服了X射线和同步辐射残余应力测定装置只能无损测定晶体材料表面及近表面残余应力的不足。

Description

中子衍射残余应力测定装置与方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测技术领域，具体涉及一种中子衍射残余应力测定装置与方法。

背景技术

机械零件或大型构件在制造时，各种工艺过程往往都会给它留下残余应力(外力撤除后在材料内部残留的应力)；另有一些制造工艺，例如喷丸、滚压等，本身就是为了给工件增添适当的残余应力。在制造过程中，适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。所以，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，在很多行业，残余应力测试已成必需的检验和控制手段。

目前残余应力的检测方法中使用最多的是X射线衍射法。X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律(2dsinθ＝nλ，其中d为晶面间距，θ为衍射半角，n为衍射级数，λ为所用靶的波长)，把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征为晶面间距的相对变化。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，X射线法已经很成熟，它的主要特点是：1)属于物理方法，不改变试样的原始应力状态；2)理论严谨，方法成熟；3)测定的是表面应力，对材料的表层状态比较敏感，须对测试点作适当的表面处理；4)可以借助电解抛光等手段测定应力沿层深的分布。用于残余应力测定的Cr、Fe、Co靶X射线管发出的标识X射线，波长较长，在铜或钢铁材料中的穿透深度仅为10微米左右。而同步辐射装置可以提供较短的波长，但其对铜或钢铁材料的穿透深度也仅在250微米范围内。所以，X射线和同步辐射测定的只是试样表面或次表面某点的残余应力，若要测残余应力沿层深的分布，必须对试样或工件进行破坏性的多次剥层和多次测定。剥层会引起残余应力释放，形状简单的试样可以按一定的公式进行残余应力剥层校正，但形状复杂的工件则无法进行这种校正。另外，剥层测定工作量大，测量精度差，是破坏性的测量方法。

发明内容

针对现有技术中X射线和同步辐射残余应力测定装置和方法只能无损测定表面残余应力的缺陷，本发明的目的在于提供一种中子衍射残余应力测定装置与方法，通过该装置与方法，实现被测试件的三维、无损和深度应力的测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

中子衍射残余应力测定装置，包括：

水平孔道：用于引出反应堆的白光中子源；

准直器：用于将反应堆水平孔道引出的白光中子源转变成平行中子束流；

光阑：用于限制第一准直器射出的中子束流的数量；

单色器：用于将通过光阑后的中子束流单色化；

入射狭缝：用于限制单色化后的中子束流的高度和宽度；

样品台：用于放置待测样品；

出射狭缝：用于限制与样品作用发生衍射后射出的中子束流的宽度；

中子探测器：用于记录发生衍射后由出射狭缝射出的中子的数目；

中子捕集器：用于捕集测定过程中穿透待测样品的直接中子束；

其中，单色器放置在可旋转屏蔽大鼓内部的空腔中；入射狭缝连接在屏蔽大鼓的可旋转部分；出射狭缝连接在中子探测器支架上；样品台围绕单色器中心转动，中子探测器围绕样品台的旋转中心转动。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，该测定装置还包括用来记录单色器发出的单色中子数目的第一监视器、用来调整入射狭缝的位置和样品边界扫描定位的第二监视器、用来标定样品台的旋转中心和样品定位的机器视觉定位系统、用来检查样品放置的位置和确定中子束流高度的经纬仪和大鼓驱动电机。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述可旋转屏蔽大鼓包括用于改变单色器起飞角的活动扇形屏蔽块；单色器起飞角的范围为41°～109°。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，入射狭缝和出射狭缝是利用步进电机驱动的，狭缝开口尺寸由全部闭合到10mm×40mm。

更进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述视觉定位系统为CCD相机。

基于上述中子衍射残余应力测定装置的中子衍射残余应力测定方法，包括以下步骤：

(S1)校准中子衍射残余应力测定装置：调整入射狭缝和出射狭缝的位置，使入射狭缝的中心位置，与单色器中子束流的中心和样品台旋转中心的连线重合，使出射狭缝的中心位置，与样品台旋转中心和中子探测器中心的连线重合；

(S2)测量无应力标准样品的衍射角；

(S3)测量待测样品的衍射角；测量的具体步骤如下：

(S3-1)将待测样品固定在样品台上，使测量点位于入射狭缝和出射狭缝确定的待测样品的体积中心；

(S3-2)沿设定的扫描路径，依次测量待测样品纵向、横向和法向三个方向上的所有测量点，得到各个测量点对应的衍射角；纵向是指平行于激光扫描路径的方向，横向是指晶体面内垂直于激光扫描路径的方向，法向是指垂直于晶体表面的方向；

(S4)根据无应力标准样品的衍射角值与各个测量点的衍射角，计算得到每个测量点三个方向的应变值和应变误差，根据应变值与应变误差计算得到相应的应力值与应力值误差。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定方法，步骤(4)中，计算测量点三个方向应变值的公式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}}-1=-\mathrm{\Δ\θ}\cot {\mathrm{\θ}}_0$

其中，ε表示应变，d₀表示无应力标准样品的晶面间距、Δd表示发生应变后待测样品晶面间距的变化值，θ₀表示无应力标准样品的布拉格衍射峰的峰位，θ表示待测样品的布拉格衍射峰的峰位，Δθ＝θ-θ₀；

根据应变值计算应力值的公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}})]$

其中，σ_xx、σ_yy、σ_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力，ε_xx、ε_yy、ε_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变，v为泊松比，E为弹性模量；

应变的误差与应力误差的计算公式为：

δε_x＝ctgθ₀×[(δθ_x)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_x={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_x\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

δε_y＝ctgθ₀×[(δθ_y)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_y={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_y\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

δε_z＝ctgθ₀×[(δθ_z)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_z={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_z\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

其中，δε_x、δε_y、δε_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变误差，δσ_x、δσ_y、δσ_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力误差，δθ_x、δθ_y、δθ_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的衍射角误差，δθ₀表示无应力标准样品的衍射角的误差。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定方法，步骤(S1)中所述的样品台旋转中心是通过如下方式确定的：

在样品台的转台中心放置一细针，通过细针在相机中成像的位置来判断其是否处于转台中心轴上，具体步骤为：

1)目测样品台的转台中心轴位置，放置细针；

2)调整相机的位置，使细针在相机镜头的中心位置成像；

3)分别记录转台位于0°和180°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

4)查看转台位于0°和180°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于通过转台中心轴的垂直于中子束流的平移轴方向直线上；若否则移动细针，直到转台位于0°和180°时细针两边缘位置的平均值相同；

5)分别记录转台位于+90°和-90°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

6)查看转台位于+90°和-90°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于通过转台中心轴的平行于中子束流的平移轴方向直线上，若否则移动细针，直到转台位于+90°和-90°时细针两边缘位置的平均值相同；最终使细针位于转台的转动中心轴上。

再进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定方法，步骤(S3-2)中，对待测样品三个方向上的测量点的测量，包括每一个方向上同一测量点的不同深度的测量，深度是以固定步长为单位进行增加的。

更进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定方法，所述步长是根据待测样品的应力梯度确定的，步长的范围为0.01mm～2mm。

本发明的效果在于：本发明所述的装置，能快速、精确地进行样品台旋转中心定位并自动进行入射狭缝和出射狭缝的对中，具有操作简单、节约时间、定位精确的优点，使测定的残余应力值真实、可靠。由于中子束流不带电荷，和物质相互作用时与核外电子几乎没有作用，不需克服电荷的库仑力障碍，因而能量较低的中子也能进入原子核内；另外大多数材料对中子的吸收也很低，所以入射中子束的穿透深度较深，通过本发明的装置与方法，能够实现晶体材料残余应力的三维、无损和深度的测试工作

附图说明

图1为本发明中子衍射残余应力测定装置的示意图；

图2为本发明中子衍射残余应力谱仪系统控制运行框图；

图3为本发明中子衍射残余应力谱仪数据采集系统运行框图；

图4为具体实施方式中样品台旋转中心定位和入射细缝对中的示意图；

图5与图6为具体实施方式中确定样品台旋转中心的示意图；

图7与图8为实施例中低碳钢材料示意图及相关尺寸；

图9与图10为实施例中无应力标准样品的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1示出了本发明中子衍射残余应力测定装置的示意图，主要包括用于将反应堆水平孔道引出的白光中子源转变成平行中子束流的第一准直器1，用于限制第一准直器1射出的中子束流数量的光阑2，用于将通过光阑后的中子束流单色化的单色器3，用于放置待测样品的样品台4，用于限制单色化后的中子束流的宽度的入射狭缝6，用于限制与样品发生衍射后射出的中子束流的宽度的出射狭缝7，用于记录发生衍射后由出射狭缝7射出的中子的数目的中子探测器5，和用于捕集测定过程中穿透待测样品的直接中子束的中子捕集器12。其中，单色器3设置在可旋转屏蔽大鼓13内部的空腔内；入射狭缝6连接在可旋转屏蔽大鼓13的可旋转部分；出射狭缝7连接在中子探测器5支架上；样品台4围绕单色器3中心转动，中子探测器5围绕样品台4的旋转中心转动，可旋转屏蔽大鼓13上还设有活动扇形屏蔽块14和附加屏蔽体15，可以通过控制该活动扇形屏蔽块的位置来改变单色器3起飞角(单色器入射束流与单色器出射束流的夹角)，单色器起飞角的范围能够调至41°～109°，通过改变起飞角的大小就可以得到满足布拉格衍射条件的单色中子波长；附加屏蔽体15的位置正对着反应堆的直接中子束，该位置相对于其它位置来说中子束的剂量较强，所以需要增加一些额外的屏蔽厚度(附加屏蔽体)，吸收多余的辐射剂量，使辐射剂量能够减弱。

此外，该中子衍射残余应力测定装置还包括用来记录单色器发出的单色中子数目的第一监视器8、用来调整入射狭缝的位置和样品边界扫描定位的第二监视器9、用来标定样品台的旋转中心和样品定位的机器视觉定位系统10、确定中子束流高度的经纬仪11和大鼓驱动电机16。入射狭缝6和出射狭缝是7利用步进电机驱动的，步进电机的精度达1μm，通过调整步进电机，能够连续地控制狭缝开口尺寸由全部闭合到10mm×40mm。入射狭缝6的位置是通过步进电机和第二监视器9进行调整的；所述出射狭缝的位置是通过步进电机和一维位置灵敏探测器(中子探测器5)进行调整的。整个残余应力测定装置的调整主要是是借助光学经纬仪11和机器视觉定位系统10来完成的，机器视觉定位系统10利用高分辨CCD相机代替人眼对物体作测量、定位和判断，其测量范围为6mm×8mm，像素分辨率为4.6μm×4.6μm，定位精度为±5μm，图像可在计算机上实时显示，能够用来快速、准确标定样品台的旋转中心和不规则样品的定位等。

本发明所用的经纬仪11和常见的经纬仪一样，视场内有刻线等作参考，可以用来对比样品放置是否大致在需要的位置以及所测部位是否和中子束流的高度相吻合。通过机器视觉定位系统10寻找样品台旋转中心的方法如图4所示，图中AA方向为垂直于中子束流的平移轴，BB方向为平行于中子束流的平移轴，C为旋转轴，对样品台旋转中心定位的方式如下：

在转台中心位置O(目测)放置一细针，如图5所示，通过细针在CCD相机D中成像的位置变化来判断其是否处于转台中心轴上，具体步骤为：

(1)目测转台中心轴位置，放置细针；

(2)查看细针在相机镜头的中心位置是否成像，如果是则设置选择区域，记录细针两边缘的位置信息；如果不是，就先调整相机的位置，使细针成像，再设置选择区域记录细针两边缘位置信息；

(3)分别记录转台位于0°和180°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

4)查看转台位于0°和180°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于通过转台中心轴的垂直于中子束流的平移轴方向直线上；若否则移动细针，直到转台位于0°和180°时细针两边缘位置的平均值相同；

5)分别记录转台位于+90°和-90°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

6)查看转台位于+90°和-90°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于通过转台中心轴的平行于中子束流的平移轴方向直线上，若否则移动细针，直到转台位于+90°和-90°时细针两边缘位置的平均值相同；最终使细针位于转台的转动中心轴上。

细针在样品台的转台上的位置如图6所示：转台上有两个正交的平移台，细针就固定在它们的上面，通过目测将细针放好后，可能它不正好在转台的旋转中心轴上，这时就需要通过相机来确定。首先在转台位于0°时，记录细针两边缘位置；然后转台转动180°，再记录细针两边缘位置，如果正好在转动中心轴上，则这两个位置的平均值是一样的；如果不在，就需要反复移动XT(平行于中子束流的平移轴)，通过转台位于0°和180°的两边缘平均值的对比，确定细针是否位于穿过转台中心轴的YT(垂直于中子束流的平移轴)直线上。同理，使转台在+90°和-90°位置，通过反复调整YT的位置，最终使细针位于转台的转动中心轴上。其中，对于转台旋转角度的确认，方式如下：

样品台包括5个部分，最下层为一个旋转台(2θ转台)，它可以带动中子探测器围绕样品台旋转中心转动；2θ转台上面放置了另外一个转台(ω转台，图6中转台C1)，ω转台与2θ转台同心，ω转台的转动范围为0-360°；ω转台又连接3个互相垂直的平移台，即X、Y、Z平移台，一般Z平移台嵌套在2θ和ω转台的内部空腔中，只有X和Y平移台(XT与YT平移轴)固定在ω转台台面上，如图6，转台的角度其实可以任意确定，但为了直观和方便起见，一般是这样设置的：当ω转台旋转至入射中子束平行于X平移台(即垂直于Y平移台)，定义此时ω转台角度为0°，然后转台以逆时针的方向角度依次增大，这样即可确定转台旋转的角度。

在使用本发明的装置进行中子衍射残余应力测量时，主要包括以下两大步骤：

(1)校准过程：主要是调整入射狭缝和出射狭缝的位置(入射狭缝和出射狭缝主要由含硼(B)和镉(Cd)等材料制作，并由步进电机驱动完成狭缝开口尺寸的调节)。首先在样品台上放一个细针样品，用经纬仪和机器视觉定位系统视觉确定出样品台的旋转轴中心线位置。定好样品台的选转轴中心线后，将标准样品移动到此位置，带束校准入射狭缝，需要一个在直接束上的低压计数管(第二监视器)作为辅助，效果会比较好。经过一系列繁琐的调整，可以根据样品台的旋转中心来校准入射狭缝的位置。这一步做完后，再利用位置灵敏探测器(中子探测器)测量细针的某一衍射峰来调整出射狭缝的位置。待这些步骤都做完后，就可以进行样品测量了。这些步骤十分繁琐费时，在调整中很容易造成误差，从而影响到数据测量的准确程度。

(2)测量无应力标准样品的衍射角；

(3)测量待测样品的衍射角：把样品固定在样品台上，仔细调整以保证测量点处于入射狭缝和出射狭缝所确定的标样体积中心位置。调整完成后就可以按照预先设定的程序进行测量。完成第一个点的测量后，系统自动地移动样品到下一个需要测量的点，直至这个方向的所有点都测量完成。然后程序控制样品旋转90度，依次自动地移动样品到所有需要测量的点的位置，重复第二个方向的测量。这一步完成后，将样品取下换第三个方向并固定在样品台上，再进行测量。开始还要调整样品的位置，保证所测的点分别是上面所测量的点，再在程序的控制下自动测量。具体步骤如下：

(3-1)将待测样品固定在样品台上，使测量点位于入射狭缝和出射狭缝确定的待测样品的体积中心；

(3-2)沿设定的扫描路径，依次测量待测样品纵向、横向和法向三个方向上的所有测量点，得到各个测量点对应的衍射角；纵向是指平行于激光扫描路径的方向(图7与图8中的Y方向)，横向是指晶体面内垂直于激光扫描路径的方向(图8中X的方向)，法向是指垂直于晶体表面的方向(图7中的Z方向)；

(4)根据无应力标准样品的衍射角值与各个测量点的衍射角，计算得到每个测量点三个方向的应变值和应变误差，根据应变值与应变误差计算得到相应的应力值与应力值误差。应变值、应变误差、应力和应力误差的计算原理及过程如下：

中子衍射测量残余应力的基本原理为，当波长为λ的中子束通过多晶材料样品时，对应晶面间距d，在满足布拉格关系的位置出现衍射峰。应变测量是在散射矢量Q的方向上，它平分入射束和衍射束的夹角。

从样品测得晶面间距d的变化可以计算出应变ε的大小：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d-d_0}{d_0}$

d₀为无应力标准样品的晶面间距值；

样品晶面间距的变化(Δd)会引起相应的衍射峰峰位偏移(Δθ)。用这种方法测量样品某一晶面的衍射峰，并使用高斯/洛仑兹拟合程序来确定衍射峰的峰位，弹性应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}}-1=-\mathrm{\Δ\θ}\cot {\mathrm{\θ}}_0$

θ₀为无应力标准样品的布拉格衍射峰的峰位；

当主方向(应力是某点某方位单位作用面上所受的力，而过一点可以有无穷多个方位的面。主应力是指作用面上无切应力时所对应的正应力，该作用面称作主平面，法线方向为主轴或主方向。)已知时，3个方向的测量足够确定一个完整的应力张量，计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}})]$

应力与应变的误差计算公式为：

δε_x＝ctgθ₀×[(δθ_x)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_x={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_x\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

δε_y、δε_z、δσ_y和δσ_z可依此类推，分别表示如下：

δε_y＝ctgθ₀×[(δθ_y)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_y={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_y\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

δε_z＝ctgθ₀×[(δθ_z)²+(δθ₀)²]^1/2

${\mathrm{\δ\σ}}_z={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_z\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

其中，σ_xx、σ_yy、σ_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力，ε_xx、ε_yy、ε_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变，δε_x、δε_y、δε_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变误差，δσ_x、δσ_y、δσ_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力误差，δθ_x、δθ_y、δθ_z、分别表示测量样品横向、纵向、法向的衍射角误差、δθ₀表示无应力标准样品的衍射角的误差，E为弹性模量，v为泊松比。

为了实现应变三维扫描，由工控机控制放置在样品台上的被测工件作X、Y、Z三维方向平移和绕测试中心点转动。这样可以实现被测试件的三维、无损和深度应变(应力)的测试工作。其中，对待测样品三个方向上的待测点的测量，包括每一个方向上同一测量点的不同深度的测量，深度是以固定步长为单位增加的，步长的范围为0.01-2mm，在测定时，旋转样品台所能达到的旋转经度为0.00125°，而在实验测量是可能不需要如此高的精度，而是选择诸如0.01°。

在应力测试时，要在程序中将各个可控部分结合起来，图2与图3分别示出了采用本发明所述的中子衍射残余应力测定装置进行应力测量时，该谱仪系统控制运行框图和谱仪数据采集运行框图，这两个框图对于在测试时需要进行的各部件的调整及控制进行了详细的描述：在测试时，需要对准直器、单色器晶面进行选取，并调整可旋转屏蔽大鼓，以便获得所需波长的单色中子；并通过计算机控制调整单色器与样品，以及样品与探测器之间的距离，还需要对入射狭缝、出射狭缝的高度及宽度进行调整，以便控制样品的取样体积，最后通过监视器技术控制采集时间，探测器对相关数据进行采集来计算得到测试的应力。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步详细的说明。

实施例

本实施例中实验所用材料为200mm长、60mm宽、8mm厚的低碳钢(WA300等级)，示意图如图9和图10所示，使用轴流式5kW CO2激光器沿样品宽度方向扫描表面三次，达到弯曲角0.9°(高能量激光金属板料成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、无模、无外力和无噪声等优点。它利用激光扫描金属薄板，在热作用区域内产生明显温度梯度，导致非均匀分布的内应力，当内应力超过材料的屈服强度，板料就会产生变形。因此激光成形往往被称为激光弯曲成形或激光弯曲。激光成形工艺克服了传统的模具弯曲所带来的成本高和生产周期长的缺点，还特别适合大型工件、小批量或单件产品的原型制造，激光成形的非接触性质也使它可以对一些难以接近的位置进行成形和修复。弯曲角的大小反映了材料的变形程度)。测量板料的残余应变与横跨扫描路径下不同深度、不同位置之间的关系，如图7与图8所示(激光束F，扫描路径G)。

本实施例中子衍射应变测量使用的单色中子波长为

选用低碳钢材料的(211)晶面进行测量，取样体积为2×2×2mm³，在散射角72°附近可从位置灵敏探测器上观察到此晶面的衍射峰。在样品宽度的中心，沿着横跨激光扫描路径并距离表面不同深度(1.5、4和6.5mm)的线上分别测量了应变三个分量：纵向(平行于扫描路径，图9中T向)、横向(面内垂直于扫描路径，图9中L向)和法向(垂直于表面，图9中N向)。与激光扫描路径不同距离、不同深度的无应力标准样品d₀小立方体(如图10)是用电火花加工(EDM)的方法从样品侧面切下来的，由64个小立方体组成，所用电火花的直径为0.1mm。

沿设定好的扫描线(距激光扫描路径中心：-40mm～40mm)，以2mm的步距分别在离上表面不同深度每个点处的三个方向对体样品和无应力标准样品(211)晶面进行测量，分别得到体样品和无应力标准样品相应的衍射角2θ。对64个小立方体分别进行测量后发现没有明显的变化，说明经过激光扫描后，化学成分几乎没有改变。因此经过电火花加工释放残余应力后，测量的小立方体的d₀值基本反映了无应力样品的情况。测量得到的无应力标准样品的衍射角2θ₀＝71.827°±0.002°，根据此无应力样品的2θ₀值，结合相关计算公式，可以得到每个测量点三个方向的应力值及其误差，结果见表1，分别是距激光扫描面1.5mm、4mm和6.5mm深度的情况。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.中子衍射残余应力测定方法，包括以下步骤：

（S1）校准中子衍射残余应力测定装置：调整入射狭缝和出射狭缝的位置，使入射狭缝的中心位置，与单色器中子束流的中心和样品台旋转中心的连线重合，使出射狭缝的中心位置，与样品台旋转中心和中子探测器中心的连线重合；所述的样品台旋转中心是通过如下方式确定的：

在样品台的转台中心放置一细针，通过细针在相机中成像的位置来判断其是否处于转台中心轴上，具体步骤为：

1）目测样品台的转台中心轴位置，放置细针；

2）调整相机的位置，使细针在相机镜头的中心位置成像；

3）分别记录转台位于0°和180°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

4）查看转台位于0°和180°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于转台中心轴的垂直于中子束流的平移轴方向直线上；若否则移动细针，直到转台位于0°和180°时细针两边缘位置的平均值相同；

5）分别记录转台位于+90°和-90°时，细针两边缘的位置信息，并计算两边缘位置的平均值；

6）查看转台位于+90°和-90°时，细针两边缘位置的平均值是否相同，若是则确定细针位于转台中心轴的平行于中子束流的平移轴方向直线上，若否则移动细针，直到转台位于+90°和-90°时细针两边缘位置的平均值相同；最终使细针位于转台的转动中心轴上；

（S2）测量无应力标准样品的衍射角；

（S3）测量待测样品的衍射角；测量的具体步骤如下：

（S3-1）将待测样品固定在样品台上，使测量点位于入射狭缝和出射狭缝确定的待测样品的体积中心；

（S3-2）沿设定的扫描路径，依次测量待测样品纵向、横向和法向三个方向上的所有测量点，得到各个测量点对应的衍射角；纵向是指平行于激光扫描路径的方向，横向是指晶体面内垂直于激光扫描路径的方向，法向是指垂直于晶体表面的方向；

（S4）根据无应力标准样品的衍射角值与各个测量点的衍射角，计算得到每个测量点三个方向的应变值和应变误差，根据应变值与应变误差计算得到相应的应力值与应力值误差。

2.如权利要求1所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于：步骤（S4）中，计算测量点三个方向应变值的公式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}=\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}}-1=-\mathrm{\Δ}\cot {\mathrm{\θ}}_0$

其中，ε表示应变，d₀表示无应力标准样品的晶面间距、Δd表示发生应变后待测样品晶面间距的变化值，θ₀表示无应力标准样品的布拉格衍射峰的峰位，θ表示待测样品的布拉格衍射峰的峰位，Δθ=θ-θ₀；

根据应变值计算应力值的公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}})]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{E}{(1+v)(1-2v)}[(1-v){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+v({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}})]$

其中，σ_xx、σ_yy、σ_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力，ε_xx、ε_yy、ε_zz分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变，ν为泊松比，E为弹性模量；

应变的误差与应力误差的计算公式为：

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_x=\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_0\×{[{\left({\mathrm{\δ\θ}}_x\right)}^2+{\left({\mathrm{\δ\θ}}_0\right)}^2]}^{1/2}$

${\mathrm{\δ\σ}}_x={[{\left(\frac{E}{1+v}{\mathrm{\δ\ϵ}}_x\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_y=\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_0\×{[{\left({\mathrm{\δ\θ}}_y\right)}^2+{\left({\mathrm{\δ\θ}}_0\right)}^2]}^{1/2}$

${\mathrm{\δ\σ}}_y={[{\left(\frac{E}{1+v}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_y\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_z=\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_0\×{[{\left({\mathrm{\δ\θ}}_z\right)}^2+{\left({\mathrm{\δ\θ}}_0\right)}^2]}^{1/2}$

${\mathrm{\δ\σ}}_z={[{\left(\frac{E}{1+v}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_z\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{Ev}}{(1+v)(1-2v)}\right)}^2({\mathrm{\δ\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\δ\ϵ}}_z^2)]}^{1/2}$

其中，δε_x、δε_y、δε_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应变误差，δσ_x、δσ_y、δσ_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的应力误差，δθ_x、δθ_y、δθ_z分别表示待测样品横向、纵向、法向的衍射角误差，δθ₀表示无应力标准样品的衍射角的误差。

3.如权利要求1或2所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于：步骤（S3-2）中，对待测样品三个方向上的测量点的测量，包括每一个方向上同一测量点的不同深度的测量，深度是以固定步长为单位进行增加的。

4.如权利要求3所述的中子衍射残余应力测定方法，其特征在于：所述步长是根据待测样品的应力梯度确定的，步长的范围为0.01mm～2mm。

Images