CN1049496C - X射线残余应力测定装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种X射线残余应力测定装置和方法，其装置是在现有X射线残余应力测定装置的基础上改X射线管为短波长X射线管，且管电压高，所用接收狭缝为限位接收狭缝，其方法是在现有装置的测定方法中采用短波长标识X射线，使被测点位于测角仪圆圆心，且通过限位接收狭缝，只允许被测点的衍射线进入辐射探测器。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工件中的三维分布，具有高效、无损、操作简便等优点。

Description

本发明属X射线残余应力无损检测装置和方法。
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10-6m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。
本发明的目的，就是为了克服上述X射线残余应力测定装置和方法只能无损测定表面残余应力的不足，而提出一种主要用于铝、敏及其它低原子序数材料的X射线残余应力断层扫描测定装置和方法。
本发明的基本原理是：X射线波长越短和被照射工件所用材料原子序数越低，入射X射线的穿透深度越深。探测来自不同深度不同部位的衍射线，就能无损探测残余应力在工件内的三维分布。
本发明的装置结构图图面说明如下：
附图1为X射线残余应力测定装置框图，其中1为X射线管；2为测角仪；3为入射光阑；4为工件；5为工作台；6为接收狭缝；7为辐射探测器；8为X射线发生器电源；9为计数率器；10为打印机；11为计算机；12为稳压电源。
附图2为平行限位接收狭缝结构剖面图，其中1为狭缝(1)；2为狭缝(2)；3为狭缝(3)。
附图3为平行限位接收狭缝A向视图。
附图4为平行限位接收狭缝俯视图。
附图5为锥度限位接收狭缝结构剖面图，其中1为上端开口；2为下端开口；3为光圈；4为步进电机；5为径向叶片。
附图6为锥度限位接收狭缝俯视图。
附图7为光圆结构图。
附图8为实施例采用的装置框图，图中的符号与附图1相同。
附图9为被测工件示意图，其中A、B、C、D、E、F为表面被测点的几何位置。
附图10为过A、B、C、D、E、F的轴向截面被测点分布图。
附图11为三维应力分布测量和计算框图。
下面结合附图对本发明简述如下：
本发明所涉及的X射线残余应力无损检测装置和现有X射线应力仪一样，包括X射线管、测角仪、入射光阑、接收狭缝和辐射探测器，这些部件均安放在一个可以升降的悬臂支架上。X射线管和接收狭缝位于测角仪圆圆周上，并可绕工件被测点为圆心的圆心转动。
本装置基本结构如图1所示，其主要特征是：(1)采用Cu、Mo、Ag、W等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，对原子序数比较低的(如Z≤13)金属和非金属材料，可以穿透厘米数量级的深度，W标识X射线谱对钢铁材料可以穿透毫米数量级深度；(2)备有0.2，0.5，1和2mm直径的入射光阑可任选用，最小能测定0.03mm2面积范围的残余应力；(3)用正比计数器或闪烁计数器探测衍射线时，采用附图2所示平行限位接收狭缝，用位敏探测器探测衍射线时，采用附图3所示的锥度限位接收狭缝；(4)为了实现断层扫描，由微机控制置于工作台的工件作X、Y、Z三维方向运动，其步长为0.1mm；(5)微机完成数据处理，由电传打字机输出各被测点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图。
本装置中的接收狭缝有两种结构形式，一种是闪烁计数器和正比计数器配用的平行限位接收狭缝，其结构如附图2，一种是与位敏探测器配用的锥度限位接收狭缝，其结构如附图3。
附图2中的平行限位接收狭缝，由钼、钽等材料制成，图中狭缝(1)和狭缝(2)尺寸为(8～10)×(0.15～0.3mm)，狭缝(3)尺寸为(8～10)×(1～3)mm。狭缝(1)和狭缝(2)之间的距离为13～15mm，狭缝(2)和狭缝(3)之间的距离为3～5mm。三个狭缝互相同向平行，且中心线互相重合。探测衍射线时，平行限位接收狭缝与正比计数器或闪烁计数器同步运动。
附图5中的锥度限位接收狭缝(以下简称锥度狭缝)，由钼、钽等材料制成，其锥度由位敏探测器可探测的有限角度决定。附图5中的1为锥度狭缝的上端开口，其尺寸与位敏探测器的有效尺寸吻合，用4颗螺钉与位敏探测器连接；2为锥度狭缝下端，下端两锥面的延伸相交于测角仪圆的圆心；3为安装在锥度狭缝下端的光圈，光圈的孔径由图中步进电机4调节。光圈叶片由钼、钽等薄片制作，其最小孔径为0.02mm，最大孔径为4mm；5为锥度狭缝内沿测角仪圆径向分布的、厚度为0.05mm的钼或钽薄片。钼、钽薄片2～6片，在锥内均匀排布。改变2θ位置时，锥度狭缝与位敏探测器同步移动。改变锥度狭缝的孔径，可以调节探测张角的大小。
本装置适用于铍、铝及其合金、陶瓷材料和一些复合材料的残余应变和残余应力的断层扫描测定。如果采用钨标识X射线，还可测定毫米数量级的钢铁材料。
X射线残余应力测定方法包括：(1)试样表面处理；(2)调节试样表面被测点与探头(或X射线焦点)距离，使被测点位于测角仪圆的圆心；(3)选择辐射和衍射条件；(4)搜集衍射谱和被测点的坐标位置，由微机进行数据处理，计算被测点的残余应力和残余应力；(5)根据需要由微机控制工作台作X、Y、Z三维方向移动，便可测定穿透深度范围内任意一点的残余应力；(6)由微机进行数据处理，打印输出各点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图。
X射线残余应力测定方法的特征是：(1)采用穿透能力强的短波长X射线，即Cu、Mo、Ag、W标识X射线；(2)被测点可以在工件表面，也可以是工件内部X射线穿透范围的任何一点，且测量时必须位于测角仪圆的圆心；(3)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。
本发明克服了现有X射线残余应力测定装置和方法的不足，能自动、无损地测定X射线穿透范围内的残余应变和残余应力在工件中的三维分布，具有操作简便，节约时间，测定的残余应力值真实、可靠等优点。
实施例：
附图8为实施例所用装置框图，图中的符号与附图1相同，厚度为4±0.2mm的铍焊件4，置于与理学MSF-2MX射线应力仪配套的侧倾台5上，调整试样表面被测点A与X射线管焦点的距离为110±0.2mm，在探测器7前安放平行限位接收狭缝6。采用Cu靶，按常规方法操作仪器，管压30KV，管流10mA，平行限位接收狭缝0.15mm。表面被测点A测试完毕后，将侧倾台升高2±0.2mm，此时工件上升2±0.2mm，图中虚线所示为上升后的工件位置，相应测角仪圆的圆心移至表面以下2±0.2mm，该点(附图10中的A1点)即为被测点。工件移动到位后，测定表面以下2±0.2mm这点的残余应力，测试完结，将侧倾台升高4±0.2mm，此时工件上升4±0.2mm，测角仪圆的圆心移至表面以下4±0.2mm，即移至工件底部，该点(即附图10中的A2点)就是被测点。底部这点测试完毕，工件伴随工件台下降4±0.2mm，此时测角仪圆的圆心重新移至工件表面，即返回附图10中的A点。根据预先安排的方案，调整侧倾台，使工件沿轴向每移50±0.2mm，重复以上步骤，将B、C、D、E、F各点径向残余应力沿轴向一截面上的分布测定出来，所得结果如表1所示。上述结果，由人工调节工作台的运动完成，也可由微机控制步进电机驱动工作台扫描运动完成。
表1.A、B、C、D、E、F径向截面残余应力测定结果(MPa)
 离表面距离(mm)                                 被测点代号
 A    A1    A2  B    B1    B2  C    C1    C2  D    D1    D2  E    E1    E2  F    F1    F2
   0  -58  -41  0  0  +17  -12
   2       -69       -87       -41       +17       -12       -69
   4             -145             -116             -87             +47             -59             -99

Claims (4)

1.一种X射线残余应力测定装置，包括X射线管，测角仪，入射光阑，工作台，接收狭缝，辐射探测器，X射线发生器电源，计数率器，打印机，微机和稳压电源，其特征是：(1)X射线管为短波长X射线管，其阳极靶的材质为Cu、Mo、Ag、W等金属，最高管电压为200～300KV，最大管电流为8～10mA，最低管电压10～20KV，最低管电流1～2mA，并连续可调；(2)接收狭缝为限位接收狭缝；(3)工作台由微机控制或手动，可作X、Y、Z三维方向运动。
2.根据权利要求1所述的X射线残余应力测定装置，其特征是：平行限位接收狭缝由三个互相同向平行的钼、钽等材料制成的狭缝组成，狭缝(1)和狭缝(2)之间距离为13～15mm，狭缝(2)和狭缝(3)之间距离为3～5mm，其中正对X光的第(1)、第(2)狭缝宽度相等，其尺寸为(8～10)×(0.15～0.3)mm，第(3)狭缝的宽度比第(1)、(2)狭缝的宽度大1～3mm。
3.根据权利要求1所述的X射线残余应力测定装置，其特征是：锥度限位接收狭缝的上端开口与位敏探测器有效探测面积相等，锥度限位接收狭缝的下端安装孔径可调的光圈，锥度限位接收狭缝的锥度，与位敏探测器有效探测张角一致，锥内沿径向均匀安装2～6片钼、钽薄片。
4.一种实施权利要求1所述装置的X射线残余应力测定方法，包括(1)试样表面处理；(2)置试样于工作台，调整试样表面被测点与探头距离，使被测点位于测角仪圆的圆心；(3)选择辐射和衍射条件，搜集衍射谱和被测点的坐标位置；(4)控制工作台作X、Y、Z三维方向移动，按需要测定穿透范围内任意一点的残余应力；(5)由微机进行数据处理，打印输出各点的残余应变和残余应力，也可输出工件中残余应变和残余应力分布图，其特征是：(1)采用Cu、Mo、Ag和W等短波长标识X射线管；(2)被测点可以在工件表面，也可是工件内任何一点，且必须位于测角仪圆圆心；(3)采用平行限位接收狭缝或锥度限位接收狭缝，只允许被测点的衍射线进入辐射探测器。
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