CN102608144A - 一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，包括：X射线发生系统、微衍射与光路导向系统、工作台系统、检测系统、计算机和控制系统；所述X射线发生系统产生短波长的X射线，经过微衍射与光路导向系统射到工作台系统内的待测的金属微构件样品上的被检测点上，经过样品的衍射再次通过微衍射与光路导向系统进入检测系统，检测系统接收进入检测系统的X射线进行检测，并将得到的检测数据送至计算机，计算机对收到的检测数据分析处理后，得到金属微构件样品被测点的残余应变和残余应力数据并进行误差分析和参数修正，当前点测试完成后，计算机发出指令给控制系统，控制系统更换样品检测点。本发明能自动、无损、真实地测定X射线穿透范围内的残余应变和残余应力在金属微结构中的三维分布，高效、无损、操作简便。

Description

一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置及其方法

技术领域

本发明涉及微机电系统的微结构强化处理与激光技术应用领域，具体是涉及一种控制金属微结构表面残余应力水平的方法和装置。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)研究与应用的不断深入，与其有关的失效和可靠性问题引起了越来越广泛的关注。而在MEMS中，往往包含了微梁、微电梳、微齿轮、微开关、微通道和微喷嘴等关键微结构，这些微结构作为MEMS的承载部件，通常受到热、力等交变载荷的作用，极易导致其变形、断裂、磨损和点蚀，引起微结构的失效，从而导致整个系统的失效，大大降低了MEMS器件的寿命和可靠性。如何提高这些金属微构件的疲劳寿命、耐磨性和抗腐蚀等性能，进而提高其可靠性和使用寿命，是机械学科中研究的重要问题，也是从源头着手提高整个MEMS使用性能的关键技术之一。在金属微结构中诱导合适的残余应力分布或改变加工过程中产生的有害的残余应力分布，可以提高MEMS微结构的抗疲劳性能与可靠性。2000年，美国哥伦比亚太学Yao Y L领导的研究小组采用微尺度的激光光斑进行对铅、铜等金属靶材的激光冲击处理，获得压缩残余应力分布，从而大大地提高材料的疲劳性能，该实验也证明残余应力可以改善材料的特定性能。由此可见，材料的残余应力能够反应材料的部分性能，这就需要去研究对材料的残余应力的测定方法，特别是在金属微构件中测定残余应力三维分布的方法。

目前残余应力无损检测方法中，X射线法最成熟，用于残余应力测定的Cr、Fe、Co靶X射线管，发出的标识X射线波长长，在铜及其合金或钢铁材料中的穿透深度仅1 0-6fl)数量级，所以，至今X射线法测定的只是工件表面某点的残余应力。要测表面其他点的残余应力，需人工移动工件至被测部位，或者移动应力仪至工件被测部位；要测残余应力沿层深的分布，必须对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，形状简单的工件如圆柱、圆筒等，可以按一定公式进行残余应力剥层校正，而形状复杂的工件这种校正则无法进行。剥层测定，不仅工作量大，测量精度差，而且是破坏性的测量方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种用于一定厚度的微构件X射线残余应力三维分布的无损的测定装置和方法。

技术方案：为了实现以上目的，本发明提供了一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，包括：X射线发生系统、微衍射与光路导向系统、工作台系统、检测系统、计算机和控制系统；所述X射线发生系统产生短波长的X射线，经过微衍射与光路导向系统射到工作台系统内的待测的金属微构件样品上的被检测点上，经过样品的衍射再次通过微衍射与光路导向系统进入检测系统，检测系统接收进入检测系统的X射线进行检测，并将得到的检测X射线的放射性强度数据送至送至计算机存储运算和显示，计算机运算出样品被测点的残余应变和残余应力数据，并进行误差分析和参数修正，并可通过与计算机中的显示器显示；金属微构件样品当前检测点完成检测后，计算机发出指令给控制系统，控制系统控制工作台系统位移至下一个样品检测点。

本发明中计算机包含用于显示数据运算结构的显示器。

本发明中所述X射线发生系统中X射线管为短波长X射线管，其阳极靶的材质为铜、或钼、或钨；在所述X射线发生系统中使用同步加速辐射光源。本发明中采用Cu、或Mo、或W重金属材料为阳极的X射线管，使其发出穿透能力强的短波长标识X射线，特别是W标识X射线谱对钢铁材料可以穿透毫米数量级深度。本发明利用X射线微衍射技术，从微尺度上记录单晶金属激光微喷丸的X射线衍射轮廓空间解析，使用同步加速辐射光源，采用强度对比法上的X射线微衍射测量微构件残余应力方法，从同步加速辐射光源发出的极高亮度X射线能短时间聚焦成微米光斑尺寸，可提供关于应力场分布信息；采用X射线微衍射技术，使得厚度为100um以内的微构件微观尺度残余应力的测定得以实现。

本发明中所述微衍射与光路导向系统包括：锥形毛细管、出射狭缝，防散射狭缝、平面单色器、接收狭缝；所述X射线发生系统产生短波长的X射线经所述锥形毛细管实现X 射线微衍射并变成线平行光 ,经所述出射狭缝后入射到样品检测点上，经过样品的衍射后再经过所述防散射狭缝、平面单色器、接收狭缝后进入检测系统。

本发明中，锥形毛细管(锥管)是利用X射线全反射原理来会聚X射线的光学器件,一般利用高精度光纤拉丝塔制作了高品质的锥管, 锥管的束斑大小可以达到20微米以下。

本发明中X射线用掠入射模式进行测量，同时保持入射角为一固定值，保证探测器只有在 2θ方向才能扫描到测量金属微构件样品被测点的衍射信号，本发明所述测量给予X射线衍射原理：当一束具有移动波长λ的X射线照射到金属微结构上时，会有一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值，X射线的波长λ，衍射金属微结构的晶面间距d和衍射角2θ之间遵守布拉格定律：2dSinθ=nλ (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与金属微结构的晶面间距d建立确定的关系，样品中有应力σ存在时，其金属微结构的晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变，因此可通过测量衍射角2θ随金属微结构的晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。

本发明中所述检测系统包括：探测器、放大器、脉冲高度分析器、计数器；所述微衍射与光路导向系统衍射出的X射线经过所述探测器检测衍射强度后，探测器将检测到的衍射强度转变为电脉冲信号，经放大器放大后进入脉冲高度分析器，脉冲高度分析器根据脉冲的幅度对信号进行甄别，甄别后的脉冲信号输入到计数器；由于在衍射仪方法中，X射线的强度用脉冲计数率表示，故计数器测量出的脉冲数输给与之连接的计算机。

本发明中脉冲高度分析器(又称脉冲幅度分析器):测量电脉冲信号幅度分布的仪器,它把脉冲信号按幅度的大小进行分类并记录每类信号的数目即脉冲幅度分析器便可根据脉冲的幅度对信号进行甄别,常用于分析射线探测器的输出信号。 

平面单色器（又称平面晶体单色器）：利用单晶体衍射作用以取得单色X射线束的装置。单色器可采用石墨晶体，Si 单晶，Ge 单晶或切割晶体. 晶体单色器实际上就是一种反射本领强的晶体，其表面做成与某个反射本领大的晶面平行。当一束多色x射线照射到此单晶片上时，就只有符合布拉格条件的单色射线才能被反射，因而就得到了纯的单色x射线。

 

本发明中所述工作台系统带有精度为1um的光栅，所述光栅与控制系统连接；本发明中所述工作台可以精细调整平台的水平性，使其表面具有良好的平整性。

本发明中所述接收狭缝为平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝；本发明被测点可以在工件（也就是金属微构件样品）表面，也可以是工件内部X射线穿透范围的任何一点；采用平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝，以保证被测点的衍射线进入探测器，而将其他点的衍射线阻挡在探测器之外。本发明中所述出射狭缝优选为0.2 mm ,防散射狭缝优选为0.1mm，接收狭缝优选为1.0mm。

本发明中所述工作台系统由控制系统控制，即工作台系统利用控制系统控制的紧密三维平台，可以方便、准确地将所金属微构件从一个测量点移至到下一个测量点。以往要改变测量点的残余应力，需人工移动工件至被测部位，或者移动应力仪至工件被测部位，这种方法费事和费力，而且精度不高，采用控制系统控制的工作台位移定位精确。

本发明还公开了一种测量金属微结构残余应力三维分布的方法，该方法的具体步骤如下：

（A）该方法选用的测量金属微结构残余应力三维分布的装置中，所述微衍射与光路导向系统包括：锥形毛细管、出射狭缝，防散射狭缝、平面单色器和接收狭缝；所述检测系统包括：探测器、放大器、脉冲高度分析器、计数器； 

（B）测量时，X射线发生系统中X射线源产生短波长的X射线；

（C）X射线发生系统产生短波长的X射线经所述锥形毛细管实现X 射线微衍射并变成线平行光 ,X射线经掠入射通过出射狭缝入射到金属微构件样品的被检测点，X射线经过金属微构件样品发生衍射后，X射线通过防散射狭缝和接收狭缝，进入检测系统；

（D）检测系统中所述探测器检测X射线的衍射强度后，将检测到的衍射强度转变为电脉冲信号，经放大器放大进入脉冲高度分析器，脉冲高度分析器根据脉冲的幅度对信号进行甄别，甄别后的脉冲信号输入到计数器；

（E）由于X射线的强度用脉冲计数率表示，故计数器测量出的脉冲数输出至计算机经计算机处理得出样品被测点的残余应变和残余应力数据，并进行误差分析和参数修正，然后将检测得到的残余应变和残余应力数据输出，通过计算机中的显示器显示；

（F）当金属微构件样品的当前点测试完成后，计算机发出指令给控制系统，控制系统控制工作台系统在X、Y、Z三维方向运动，位移至金属微构件样品的下一个被检测点，再次从步骤（C）起进行检测，直至完成金属微构件样品上所有被检测点的检测。

本发明中利用掠入射X射线衍射技术，用平行光来测定残余应力沿层深的分布，X射线波长越短，入射X射线的穿透深度越深；本发明所述方法不必对工件进行破坏性的多次剥层和多次测定，可应用于形状复杂的金属微构件的测定，测定工作量小，测定精确度高。

本发明可以结合激光微冲击技术，实现光斑尺寸μm量级、脉冲宽度ns量级的精确控制，对金属微构件进行改性处理，有效控制金属微器件残余应力，改善了金属微构件的力学性能，提高了金属微构件的使用寿命。

有益效果：本发明的优点如下： 

本发明所述测量金属微结构残余应力三维分布的装置通过采用穿透能力强的短波长X射线，不必对工件进行破坏性的多次剥层和多次测定，可应用于形状复杂的金属微构件的测定，测定工作量小，测定精确度高。

本发明所述方法，能自动、无损地测定X射线穿透范围内的残余应变和残佘应力在金属微构件中的三维分布，操作简便，节约时间，测定的残余应力值真实、可靠。

附图说明

图1为本发明所述测量金属微结构残余应力三维分布的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例

如图1所示的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，包括：X射线发生系统、微衍射与光路导向系统、工作台系统、检测系统、计算机和控制系统。所述X射线发生系统中X射线管为短波长X射线管，其阳极靶的材质为铜、或钼、或A9、或钨；在所述X射线发生系统中使用同步加速辐射光源15。所述微衍射与光路导向系统包括：微衍射与光路导向系统包括：锥形毛细管1、出射狭缝2，防散射狭缝4、平面单色器5和接收狭缝6；所述检测系统包括：探测器7、放大器8、脉冲高度分析器9、计数器10；所述工作台系统为一个可作X、Y、Z三维方向运动的，带有光栅的精密三维平台，该平台可以精细调整平台水平性，使其表面具有良好的平整性。本实施例中所述接收狭缝6为锥度限位接收狭缝；所述出射狭缝为0.2 mm ,防散射狭缝为0.1mm，接收狭缝为1.0mm；所述探测器7为位敏探测器，所述计数器10为正比计数器。

本实施例还公开了一种测定金属微结构残余应力三维分布的方法，该方法的具体步骤如下：

（A）该方法选用本实施例所述测量金属微结构残余应力三维分布的装置；

（B）测量时，X射线发生系统中X射线源产生短波长的X射线；

（C）X射线发生系统产生的X射线经锥形毛细管1实现X 射线微衍射并变成线平行光 , X射线聚焦成的平行光经掠入射通过出射狭缝2入射到金属微构件样品3的被检测点，X射线经过金属微构件样品3发生衍射后，X射线通过防散射狭缝4和接收狭缝6，进入检测系统；

（D）检测系统中所述探测器6检测X射线的衍射强度后，将检测到的衍射强度转变为电脉冲信号，经放大器8放大进入脉冲高度分析器9分析，送至计数器10；

（E）由于X射线的强度用脉冲计数率表示，故计数器10测量出的脉冲数输出至计算机11经计算机处理得出样品被测点的残余应变和残余应力数据，并进行误差分析和参数修正，然后将检测得到的残余应变和残余应力数据输出，通过计算机中的显示器12显示；

（F）当金属微构件样品的当前点测试完成后，计算机11发出指令给控制系统13，控制系统13控制工作台系统在X、Y、Z三维方向运动，位移至金属微构件样品的下一个被检测点，再次从步骤（C）起进行检测，直至完成金属微构件样品上所有被检测点的检测。

Claims (8)

1.一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：包括：X射线发生系统、微衍射与光路导向系统、工作台系统、检测系统、计算机和控制系统；

所述X射线发生系统产生短波长的X射线，经过微衍射与光路导向系统射到工作台系统内的待测的金属微构件样品上的被检测点上，经过样品的衍射再次通过微衍射与光路导向系统进入检测系统，检测系统接收进入检测系统的X射线进行检测，并将得到的检测数据送至计算机，计算机所述控制系统对收到的检测数据分析处理后，得到金属微构件样品被测点的残余应变和残余应力数据并对该数据进行误差分析和参数修正，金属微构件样品当前检测点完成检测后，计算机发出指令给控制系统，控制系统控制工作台系统位移至下一个样品检测点。

2.根据权利要求1所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述X射线发生系统中X射线管为短波长X射线管，其阳极靶的材质为铜、或钼、或钨；在所述X射线发生系统中使用同步加速辐射光源（15）。

3.根据权利要求1所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述微衍射与光路导向系统包括：锥形毛细管（1）、出射狭缝（2），防散射狭缝（4）、平面单色器（5）和接收狭缝（6）；所述X射线发生系统产生短波长的X射线经所述锥形毛细管（1）实现X 射线微衍射并变成线平行光 ,经所述出射狭缝（2）后入射到样品检测点上，经过样品的衍射后再经过所述防散射狭缝（4）、平面单色器（5）、接收狭缝（6）后进入检测系统。

4.根据权利要求3所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述检测系统包括：探测器（7）、放大器（8）、脉冲高度分析器（9）、计数器（10）；所述微衍射与光路导向系统衍射出的X射线经过所述探测器（7）检测衍射强度后，探测器（7）将检测到的衍射强度转变为电脉冲信号，经放大器（8）放大后进入脉冲高度分析器(9) 脉冲高度分析器根据脉冲的幅度对信号进行甄别，甄别后的脉冲信号输入到计数器(10)；由于在衍射仪方法中，X射线的强度用脉冲计数率表示，故计数器测量出的脉冲数送入与之连接的计算机（11）。

5.根据权利要求1所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述工作台系统带有精确定位的光栅，所述光栅的精度为1um；所述光栅作为位置传感器与控制系统连接，将金属微结构样品位置调整至最佳测量位置。

6.根据权利要求3所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述接收狭缝（6）为平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝；所述出射狭缝为0.2 mm ,防散射狭缝为0.1mm，接收狭缝为1.0mm。

7.根据权利要求3所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置，其特征在于：所述探测器（7）为位敏探测器；所述计数器（10）为正比计数器或闪烁计数器。

8.一种测量金属微结构残余应力三维分布的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

（A）该方法选用权利要求4所述的一种测量金属微结构残余应力三维分布的装置；

（B）测量时，X射线发生系统中X射线源产生短波长的X射线；

（C）X射线经锥形毛细管实现X 射线微衍射并变成线平行光 , X射线经掠入射通过出射狭缝入射到金属微构件样品的被检测点，X射线经过金属微构件样品发生衍射后，X射线通过防散射狭缝和接收狭缝，进入检测系统；

（D）检测系统中所述探测器检测X射线的衍射强度后，将检测到的衍射强度转变为电脉冲信号，经放大器放大进入脉冲高度分析器分析脉冲高度分析器根据脉冲的幅度对信号进行甄别，甄别后的脉冲信号输入到计数器；

（E）由于X射线的强度用脉冲计数率表示，故计数器测量出的脉冲数输出至计算机经计算机处理得出样品被测点的残余应变和残余应力数据，并进行误差分析和参数修正，然后将检测得到的残余应变和残余应力数据输出，通过计算机中的显示器显示；

（F）当金属微构件样品的当前点测试完成后，计算机发出指令给控制系统，控制系统控制工作台系统在X、Y、Z三维方向运动，位移至金属微构件样品的下一个被检测点，再次从步骤（C）起进行检测，直至完成金属微构件样品上所有被检测点的检测。