CN103245445A

CN103245445A - 一种应力仪

Info

Publication number: CN103245445A
Application number: CN2013101846450A
Authority: CN
Inventors: 李玉德; 郭非; 刘志国; 孙天希; 林晓燕
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明公开了一种应力仪，用于实现微区残余应力测量。所述应力仪包括：用于提供X射线光源的X射线管，用于将X射线管201发出的X射线收集并出射的聚焦部件，和用于接收经过被测试样衍射后的X射线并进行残余应力测量的探测器；其中，X射线管和探测器位于测角仪圆上，聚焦部件的入口到X射线管的距离为聚焦部件的前焦距，聚焦部件的出口到被测试样的距离为聚焦部件的后焦距。

Description

一种应力仪

技术领域

本发明涉及X射线测定技术领域，尤其涉及一种应力仪。

背景技术

残余应力是指没有外力或外力矩作用，物体内部存在且自身保持平衡的内应力。一方面，残余应力可能对材料的疲劳强度及尺寸稳定性造成不利影响，是导致材料失效和影响使用寿命的主要原因之一；另一方面，有时为了改进材料的抗疲劳性能，又需要故意引入残余应力。因此，残余应力及其对材料的影响研究是材料科学和力学研究领域的一个重要研究内容。

残余应力的测试方法按照对被测样品是否有损伤分为两大类：有损法与无损法。有损法又称为机械法，在进行残余应力测量时必须损坏样品。无损法包括X射线衍射法、超声法、磁性法等。X射线衍射法使用的仪器有应力仪和衍射仪。应力仪是测定材料残余应力的专用仪器，既能测定材料表面，又能测定内部不同部位和方向的残余应力；既能测定平面光滑试样，还能测定形状复杂试样(如齿轮齿根和角焊缝)的残余应力。此外，应力仪还具有重量轻，易携带运输的优点，既能在实验室使用，又便于携带至现场测试。

应力仪从衍射几何可以划分为平行光束法和准聚焦法。准聚焦法的衍射几何如图1所示，当入射角Ψ₀一定时聚焦圆101就固定了，探测器102不沿聚焦圆扫描而是沿着测角仪圆103扫描；另一方面，被测试样表面通常与聚焦圆并不吻合，因而叫做准聚焦法。由于X射线管104焦斑有一定大小，加上准直管(图1中未示出)出口和试样位置有一定的距离，即使使用最小直径为0.6mm的准直管，目前应力仪的光束照射面直径也大于1mm。

随着材料科学不断发展，人们发现材料微观区域(以下简称微区)的应力和应变状态常常决定着宏观材料的行为和性能，因此微区的残余应力测定显得尤为重要。若希望目前的应力仪实现对微区的测量，本申请的发明人发现，一种可能的方式是：将目前准直管的出口直径做得更小，而且使准直管的出口尽量靠近被测试样。这样，导致照射到被测试样上的X射线光强较弱，而且原本能进入到探测器的部分衍射光会被准直管遮挡，以至于无法进行检测。

发明内容

本发明实施例提供一种应力仪，用于实现微区残余应力测量。

一种应力仪，包括：用于提供X射线光源的X射线管，用于将X射线管201发出的X射线收集并出射的聚焦部件，和用于接收经过被测试样衍射后的X射线并进行残余应力测量的探测器；其中，X射线管和探测器位于测角仪圆上，聚焦部件的入口到X射线管的距离为聚焦部件的前焦距，聚焦部件的出口到被测试样的距离为聚焦部件的后焦距。本实施例通过聚焦部件来改变原有的光路，使X射线会聚到被测试样上，以实现微区测量，并且光强效果较好。

较佳的，聚焦部件为轴对称结构，纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的弧形，该弧形遵循二次曲线方程。该结构的聚焦效果较好，光强损失较小。

较佳的，所述弧形为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同。本实施例中聚焦部件的结构可以有多种，适用于不同测量的需要。

较佳的，聚焦部件包括多根透明材料制成的毛细管。该结构的聚焦部件生产工艺简单，会聚效果较好。

较佳的，在外直径相同的情况下，中心区域的毛细管的内直径大于边缘区域的毛细管的内直径；或者，所有毛细管的内直径相同。本实施例中直径相同的方案生产工艺简单。直径不同的方案会聚时光强效果较好。

较佳的，透明材料为玻璃。

较佳的，应力仪还包括用于调节聚焦部件位置的调节部件，调节部件与聚焦部件连接。本实施例通过调节部件可实现对聚焦部件的保护、支撑和调节。

较佳的，调节部件包括用于保护和调节聚焦部件的支撑单元，和用于固定支撑单元位置的固定单元。

较佳的，固定单元包括带有圆孔的固定架和螺丝；支撑单元从固定架中的圆孔中穿过；螺丝穿过固定架并抵住支撑单元。

较佳的，支撑单元外侧壁带有螺纹，固定架的中空圆孔内侧壁带有与支撑单元外侧壁相配合的螺纹槽。通过这种方式可实现聚焦部件位置的微调。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为背景技术中应力仪的示意图；

图2为本发明实施例中应力仪的结构图；

图3A和图3B为本发明实施例中调节部件的结构图；

图4为本发明实施例中聚焦部件的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例在X射线管与被测试样之间放置聚焦部件，该聚焦部件可具体为由多根玻璃毛细管组成的光学器件。通过该聚焦部件来改变光路，将X射线管到被测试样的发散光改为会聚光，使在被测试样上的照射区域较小，实现微区测量，并且相比于背景技术中介绍的方式光强更强，有利于探测器的接收和测量。

参见图2，本实施例中的应力仪包括X射线管201、聚焦部件202和探测器203。

X射线管201用于提供X射线。

聚焦部件202用于将X射线管201发出的X射线收集后出射。

探测器203用于接收衍射X射线并进行残余应力测量。

被测试样位于聚焦部件202与探测器203之间，经过聚焦部件202出射后的X射线照射到被测试样，发生衍射后到探测器203。

在进行测量时，X射线管201和探测器203需位于测角仪圆上，聚焦部件202的入口到X射线管201的距离为聚焦部件202的前焦距，聚焦部件202的出口到被测试样的距离为聚焦部件202的后焦距。探测器203到被测试样的距离等于X射线管201到被测试样的距离。

本实施例中的聚焦部件202与背景技术提到的准直管不同，准直管随意放置，都可以有光出射。而聚焦部件202对位置的要求更高，为了获得较强的出射光，应力仪还可以包括调节部件204，参见图3A和图3B所示，调节部件204与聚焦部件202连接，用于调节聚焦部件202位置。调节部件204包括支撑单元301和两个固定单元302和303。支撑单元301为圆通型，聚焦部件202位于圆孔内，支撑单元301与聚焦部件202的位置相对固定，以便达到保护和调节聚焦部件202的目的。固定单元302包括固定架3021和螺丝3022/3023/3024。固定架3021有中空圆孔，用于支撑单元301从中穿过，支撑单元301的位置可微调。即通过支撑单元301在固定单元3021的圆孔内部有限缝隙，做出一定范围的调整。在支撑单元301的位置确定后，调节固定单元302上的螺丝的相互位置，使螺丝穿过固定架3021并抵住支撑单元301。固定单元303的调节操作与固定单元302一致，视实际需要而定。通过固定单元302和303上下配合调节，使聚焦部件202达到满意位置，拧紧螺丝，紧固支撑单元301，达到固定的目的。

较佳的，支撑单元301外侧壁带有螺纹，固定架3021的圆孔内侧壁带有与支撑单元301外侧壁相配合的螺纹槽。

参见图4，本实施例中聚焦部件202为轴对称结构，尤其是其任一点的横截面都近似为圆。纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的弧形，该弧形遵循二次曲线方程。也就是说，聚焦部件202的外侧母线401为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同。

聚焦部件202包括多根透明材料制成的毛细管402。为了简化工艺，所有毛细管402的内外直径均可相同。从另一角度，为了提高光强，在外直径相同的情况下，中心区域的毛细管402的内直径可大于边缘区域的毛细管402的内直径。

较佳的，透明材料为玻璃。特别的，该玻璃材料为密度较低的轻质玻璃，玻璃材料至少包括锂Li、铍Be和硼B中的一种或多种元素。例如，玻璃的成分包括：

例如，聚焦部件202入口直径为8.5mm，出口直径为7.8mm，长度为52mm，外形曲线方程为y＝-0.00102x2+0.09072x+2.76350时，聚焦部件202的前焦距为58mm，后焦距为50mm。使用该聚焦部件202，在X射线管201距被测样品为160mm的距离时，照射在被测样品上的光斑直径为0.3mm，光强增益为26倍。可见，光斑直径远小于背景技术中介绍的1mm，且光强增益可达到26倍，明显高于背景技术所介绍的方案。

本发明实施例在X射线管与被测试样之间放置聚焦部件，该聚焦部件可具体为由多根玻璃毛细管组成的光学器件。通过该聚焦部件来改变光路，将X射线管到被测试样的发散光改为会聚光，使在被测试样上的照射区域较小，实现微区测量，并且相比于背景技术中介绍的方式光强更强，有利于探测器的接收和测量。并且，本发明实施例中的应力仪主要适用于对非平面的被测试样的测量，如对球面被测试样或弹簧等测量效果较佳。

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等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种应力仪，其特征在于，包括：用于提供X射线光源的X射线管，用于将X射线管201发出的X射线收集并出射的聚焦部件，和用于接收经过被测试样衍射后的X射线并进行残余应力测量的探测器；

其中，X射线管和探测器位于测角仪圆上，聚焦部件的入口到X射线管的距离为聚焦部件的前焦距，聚焦部件的出口到被测试样的距离为聚焦部件的后焦距。

2.如权利要求1所述的应力仪，其特征在于，聚焦部件为轴对称结构，纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的弧形，该弧形遵循二次曲线方程。

3.如权利要求2所述的应力仪，其特征在于，所述弧形为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同。

4.如权利要求1所述的应力仪，其特征在于，聚焦部件包括多根透明材料制成的毛细管。

5.如权利要求4所述的应力仪，其特征在于，在外直径相同的情况下，中心区域的毛细管的内直径大于边缘区域的毛细管的内直径；或者

所有毛细管的内直径相同。

6.如权利要求4所述的应力仪，其特征在于，透明材料为玻璃。

7.如权利要求1所述的应力仪，其特征在于，应力仪还包括用于调节聚焦部件位置的调节部件，调节部件与聚焦部件连接。

8.如权利要求7所述的应力仪，其特征在于，调节部件包括用于保护和调节聚焦部件的支撑单元，和用于固定支撑单元位置的固定单元。

9.如权利要求8所述的应力仪，其特征在于，固定单元包括带有中空圆孔的固定架和螺丝；支撑单元从固定架中的圆孔中穿过；螺丝穿过固定架并抵住支撑单元。

10.如权利要求9所述的应力仪，其特征在于，支撑单元外侧壁带有螺纹，固定架的圆孔内侧壁带有与支撑单元外侧壁相配合的螺纹槽。