CN110514681A - 一种利用双能衍射测量应变分布的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用双能衍射测量应变分布的方法及装置，属于材料应力测量技术领域，解决了现有技术中测量装置和数据分析复杂、很难得到大面积应变分布信息、难以直接测量第一类应变分布的问题。该方法包括以下步骤：分别获得以E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑；获得第一衍射斑和第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强及对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差；根据能量E1、能量E2和旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角；利用布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，以获得样品待测晶面的第一类应变分布。该方法测量简单、误差小、可以得到大面积应变分布信息、可直接测量第一类应变分布。

Description

一种利用双能衍射测量应变分布的方法及装置
技术领域
本发明涉及材料应力测量技术领域，尤其涉及一种利用双能衍射测量应变分布的方法和装置。
背景技术
工程材料在使用过程中的疲劳、缺陷、裂痕等会严重影响材料的使用寿命，而应力应变的分布往往与材料的失效过程有重要联系。因此，工程材料内应力的测量十分重要。
目前有多种利用中子和同步辐射测量工程材料应力应变的方法。但大部分传统的测量方法只能测试样品表面的应变分布，且只能逐点取样测量。基于同步辐射X射线的应力测量中，利用高能单色X射线分析残余应力可以得到样品整体的平均应力应变分布信息，但需要借助狭缝或者准直器来实现样品的定位，并且，现有的基于同步辐射X射线衍射成像测量应力应变的方法主要是利用了摇摆曲线展宽的变化测量第二类应力应变分布，即晶粒间的应力应变分布。通常利用XRD衍射的方法来测量第一类应力应变的分布。目前，还未出现利用同步辐射X射线成像的方法来直接测量第一类应力应变分布。
现有技术存在以下缺点：一是传统测量方法只能逐点取样测量样品表面的应变分布；二是基于同步辐射X射线的应力应变测量，测量装置和数据分析较复杂，误差较大，很难大面积测量应变分布信息，并且无法直接测量第一类应变分布。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种利用双能衍射测量应变分布的方法和装置，用以解决现有测量方法复杂、难以大面积测量且无法直接测量第一类应变分布的问题。
一方面，本发明提供了一种利用双能衍射测量应变分布的方法。该方法包括以下步骤：分别获得以E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑；获得第一衍射斑和第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强；获得第一衍射斑和第二衍射斑中的对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差；根据所述能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角；利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布。
进一步的，通过下述方式获得衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强，所述衍射斑包括第一衍射斑和第二衍射斑：
将待测样品放置于调整台上，调整样品待测晶面平行于入射X射线与旋转轴所在的平面，在旋转角度为0°时，使样品待测晶面的法线与入射X射线垂直，所述旋转轴垂直于所述调整台平面；
绕旋转轴旋转待测样品，确定旋转过程中能够产生衍射斑的角度范围，在所述角度范围内以设定步长旋转待测样品，并利用探测器记录旋转角度和对应的衍射斑信息，所述衍射斑信息包括像素点的光强；
利用光强阈值分割提取衍射斑信息，以获得衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强。
进一步的，利用光强阈值分割提取衍射斑信息，是通过设置衍射光强阈值，将光强大于所述设置的衍射光强阈值的像素点信息提取出来，以提取衍射斑信息。
进一步的，通过下述方法将第一衍射斑和第二衍射斑的像素点一一对应：
分别将第一衍射斑、第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强相加得到图像1、图像2；
通过对比所述图像1和图像2实现像素点一一对应。
进一步的，通过下述方式获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差：
根据衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强确定像素点的摇摆曲线，所述摇摆曲线的横坐标为旋转角度，纵坐标为对应的光强；
根据摇摆曲线峰位对应的旋转角度确定像素点光强值最大时对应的旋转角度；
根据所述像素点光强值最大时对应的旋转角度获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差。
进一步的，根据能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，具体公式为：
其中，θ1为第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，Δω为对应像素点的旋转角度差。
进一步的，利用所述布拉格角通过下述公式确定第一衍射斑的像素点对应位置的应变：
ε＝-cotθ0×(θ1-θ0)，
其中，θ0为待测样品无应力分布时在E1能量X射线照射下衍射斑像素点对应的布拉格角。
进一步的，所述θ0由下式确定：
其中，d为晶面间距，λ为E1能量的X射线的波长。
进一步的，在E1能量X射线照射下，根据像素点的摇摆曲线获得样品待测晶面的第二类应变分布：
其中，β为摇摆曲线的半高全宽。
根据上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1、利用双能同步辐射X射线衍射成像的方法，避免了传统测量方法逐点取样测量，测量过程和数据分析简单，且能够获得大面积的应变分布信息；
2、利用双能同步辐射X射线衍射成像的方法根据衍射斑像素点的摇摆曲线，可以直接获得样品在二维方向的第一类和第二类应变分布信息，为直观的观测工程材料内部残余应力对部件使役性能的影响方式提供了有效的手段。
另一方面，本发明提供了一种利用双能衍射测量应变分布的装置。该装置包括：一种利用双能衍射测量应变分布的装置，其特征在于，包括：同步辐射装置，用于产生包含不同能量的X射线；单色器，用于选择单一能量的X射线；调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；探测器，用于接收样品待测晶面在不同能量的X射线照射下样品待测晶面产生的衍射斑，并记录衍射斑信息及对应的旋转角度；应变分布处理器，用于根据E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强获取对应像素点在光强最大时的旋转角度差，根据所述对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布；所述应变分布处理器，还用于在E1能量X射线照射下，根据所述第一衍射斑像素点在不同旋转角度处的光强获得样品待测晶面的第二类应变分布。
由于本发明中的利用双能衍射测量应变分布的装置与上述利用双能衍射测量应变分布的方法原理相同，所以该装置也有与上述方法相应的技术效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为利用双能衍射测量应变分布的方法流程图；
图2为利用双能衍射测量应变分布的方法实施时的一种示意图；
图3为利用双能衍射测量应变分布的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
方法实施例
本发明的一个具体实施例，公开了一种双能衍射测量应变分布的方法，如图1所示。本发明采用两个能量测量样品同组晶粒的衍射斑，通过样品在不同能量X射线照射下衍射峰位置的差异来获得样品不同区域的峰位移动，从而获得应变分布信息。
其中的样品为平板状，材质可为合金，例如可以是厚度为1毫米的镍基高温合金。
衍射峰位置的移动对应不同能量X射线照射下样品产生衍射斑的对应像素点的布拉格角差值，同理，可以根据单一能量X射线照射下样品产生衍射斑的像素点的布拉格角与样品无应力状态下产生衍射斑的像素点布拉格角的差值确定样品的峰位移动，从而获得样品的第一类应变分布。
图1示出了该方法的一个具体实施例的流程图，包括以下步骤：分别获得以E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑；获得第一衍射斑和第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强；获得第一衍射斑和第二衍射斑中的对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差；根据所述能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角；利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布。
具体实施时，如图2所示。其中，
E1、E2能量的大小，根据实际待测样品的不同，而具体选择，满足能照射样品时，能够产生清晰的、且面积大小符合测量要求的衍射斑即可。
通过测量单个像素点对应位置的应变分布来获得衍射斑对应位置的的第一类应变分布，从而获得样品晶面待测区域的第一类应变分布。
其中，双能衍射的基础是布拉格衍射公式：
d表示晶面间距，由样品本身决定，θ表示布拉格角，E表示入射X射线的能量。当晶面间距一定时，布拉格角θ和能量E成负相关的关系。因为待测样品在不同能量X射线照射下，发生衍射的布拉格角是不同的，所以在不同能量X射线照射下，出现相同晶面衍射信息时对应的旋转角度不同。
为使测量结果更加准确，通过下述方式获得衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强，所述衍射斑包括第一衍射斑和第二衍射斑：
将待测样品放置于调整台上，调整样品待测晶面平行于入射X射线与旋转轴所在的平面，在旋转角度为0°时，使样品待测晶面的法线与入射X射线垂直，所述旋转轴垂直于所述调整台平面；这样便可测得待测晶面法线方向上的应变分布信息，调整待测晶面的位置可以测量所需方向上的应变分布信息。
绕旋转轴旋转待测样品，确定旋转过程中能够产生衍射斑的角度范围，在所述角度范围内以设定步长旋转待测样品，并利用探测器记录旋转角度和对应的衍射斑信息，所述衍射斑信息包括像素点的光强；步长的设定范围可以为0.005°～0.01°，可以更加准确的找到像素点光强最大时对应的旋转角度。
利用光强阈值分割提取衍射斑信息，以获得衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强。
具体的，利用光强阈值分割提取衍射斑信息，是通过设置衍射光强阈值，将光强大于所述设置的衍射光强阈值的像素点信息提取出来，以提取衍射斑信息。光强阈值的设置依据背底光强，设置的光强阈值要高于背底光强，以准确地提取衍射斑信息。
优选的，通过下述方法将第一衍射斑和第二衍射斑的像素点一一对应：
分别将第一衍射斑、第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强相加得到图像1、图像2；得到的图像1和图像2的形貌更加清晰，且分别能包括衍射斑所有的像素点；具体的，以第一衍射斑得到图像1为例，将第一衍射斑中多次旋转样品得到的每一像素点的光强分别按像素点进行相加，图像1的每一像素点的光强即为多次光强的和，因此，得到的图像1的形貌相比第一衍射斑更加清晰，利于提升后续进行像素点配对的准确度及效率。
通过对比所述图像1和图像2，即将图像1和图像2的形貌进行比较，完成两个图像的匹配，从而实现像素点一一对应，对应结果更加准确。
基于匹配后的像素点，通过下述方式获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差：
根据衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强确定像素点的摇摆曲线，所述摇摆曲线的横坐标为旋转角度，纵坐标为对应的光强；
根据摇摆曲线峰位对应的旋转角度确定像素点光强值最大时对应的旋转角度；峰位处对应的光强即为像素点的最大光强值。
根据所述像素点光强值最大时对应的旋转角度获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差。
本领域技术人员应当能够明了的是，根据上述步骤每一对应像素点对均能得到一个旋转角度差。该旋转角度差即为，第一衍射斑中一像素点1在光强最大时的旋转角度，与第二衍射斑中与该像素点1对应的像素点2在光强最大时的旋转角度，两者的差值。
优选的，根据能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，具体公式为：
其中，θ1为第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，Δω为对应像素点的旋转角度差。
基于上式即可得到第一衍射斑中所有像素点对应的布拉格角。
具体的，利用所述布拉格角通过下述公式确定第一衍射斑的像素点对应位置的应变：
ε＝-cotθ0×(θ1-θ0)，
其中，θ0为待测样品无应力分布时在E1能量X射线照射下衍射斑像素点对应的布拉格角，在无应力状态下，待测样品在单一能量X射线照射下衍射斑的每个像素点对应的布拉格角大小相等。
具体的，所述θ0由下式确定：
其中，d为晶面间距，λ为E1能量的X射线的波长。
基于第一衍射斑中所有像素点对应位置的应变，即可得到衍射斑对应待测晶面区域的第一类应变分布。
该方法不仅可以测量待测晶面的第一类应变分布，在E1能量X射线照射下，还可以根据像素点的摇摆曲线获得样品待测晶面的第二类应变分布：
其中，β为摇摆曲线的半高全宽。
当需要测量多轴应力时，可以选取不同的晶面进行多次测量。在高能X射线照射情况下，晶体的衍射角度非常的小，因此5～10keV的能量差异带来的衍射角度的差异和出射方向的改变不会带来太大的衍射形变，可以认为两个能量下的衍射斑依然是一一对应的。通过衍射斑像素点对应的衍射峰展宽的变化也可以同时获得样品的第二类应变分布信息。
本实施例提供的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，与现有技术相比，首先利用双能同步辐射X射线衍射成像的方法，避免了传统测量方法逐点取样测量，测量过程和数据分析简单，且能够大面积测量应变分布信息；其次根据衍射斑像素点的摇摆曲线可以直接获得样品在二维方向的第一类和第二类应变分布信息，为直观的观测工程材料内部残余应力对部件使役性能的影响方式提供了有效的手段。
装置实施例
另一方面，本发明提供了一种利用双能衍射测量应变分布的装置，如图3所示。该装置包括：一种利用双能衍射测量应变分布的装置，其特征在于，包括：同步辐射装置，用于产生包含不同能量的X射线；单色器，用于选择单一能量的X射线；调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；探测器，用于接收样品待测晶面在不同能量的X射线照射下样品待测晶面产生的衍射斑，并记录衍射斑信息及对应的旋转角度；应变分布处理器，用于根据E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强获取对应像素点在光强最大时的旋转角度差，根据所述对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布；所述应变分布处理器，还用于在E1能量X射线照射下，根据所述第一衍射斑像素点在不同旋转角度处的光强获得样品待测晶面的第二类应变分布。
其中应变分布处理器获得样品待测晶面的第一类应变分布和第二类应变分布的具体处理过程与上述方法实施例中采用相同的构思实现。
其中，单色器可以是双晶单色器、单晶单色器、劳埃型单色器或布拉格型单色器等，探测器可选用X射线间接成像探测器。
本实施例提供的一种利用双能衍射测量应变分布的装置，与现有技术相比，首先利用双能同步辐射X射线衍射成像的方法，避免了传统测量装置复杂且只能逐点取样测量，测量过程和数据分析简单，且能够获得大面积的应变分布信息；其次根据衍射斑像素点的摇摆曲线可以直接获得样品在二维方向的第一类和第二类应变分布信息，为直观的观测工程材料内部残余应力对部件使役性能的影响方式提供了有效的手段。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别获得以E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑；
获得第一衍射斑和第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强；
获得第一衍射斑和第二衍射斑中的对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差；
根据所述能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角；
利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布。
2.根据权利要求1所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，通过下述方式获得衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强，所述衍射斑包括第一衍射斑和第二衍射斑：
将待测样品放置于调整台上，调整样品待测晶面平行于入射X射线与旋转轴所在的平面，在旋转角度为0°时，使样品待测晶面的法线与入射X射线垂直，所述旋转轴垂直于所述调整台平面；
绕旋转轴旋转待测样品，确定旋转过程中能够产生衍射斑的角度范围，在所述角度范围内以设定步长旋转待测样品，并利用探测器记录旋转角度和对应的衍射斑信息，所述衍射斑信息包括像素点的光强；
利用光强阈值分割提取衍射斑信息，以获得衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强。
3.根据权利要求2所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，所述利用光强阈值分割提取衍射斑信息，是通过设置衍射光强阈值，将光强大于所述设置的衍射光强阈值的像素点信息提取出来，以提取衍射斑信息。
4.根据权利要求3所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，还包括通过下述方法将第一衍射斑和第二衍射斑的像素点一一对应：
分别将第一衍射斑、第二衍射斑的像素点在不同旋转角度时的光强相加得到图像1、图像2；
通过对比所述图像1和图像2实现像素点一一对应。
5.根据权利要求4所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，通过下述方式获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差：
根据衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强确定像素点的摇摆曲线，所述摇摆曲线的横坐标为旋转角度，纵坐标为对应的光强；
根据摇摆曲线峰位对应的旋转角度确定像素点光强值最大时对应的旋转角度；
根据所述像素点光强值最大时对应的旋转角度获得第一衍射斑和第二衍射斑对应像素点在光强最大时对应的旋转角度差。
6.根据权利要求5所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，所述根据能量E1、能量E2和对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，具体公式为：
其中，θ1为第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，Δω为对应像素点的旋转角度差。
7.根据权利要求6所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，利用所述布拉格角通过下述公式确定第一衍射斑的像素点对应位置的应变：
ε＝-cotθ0×(θ1-θ0)，
其中，θ0为待测样品无应力分布时在E1能量X射线照射下衍射斑像素点对应的布拉格角。
8.根据权利要求7所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，所述θ0由下式确定：
其中，d为晶面间距，λ为E1能量的X射线的波长。
9.根据权利要求8所述的一种利用双能衍射测量应变分布的方法，其特征在于，还包括在E1能量X射线照射下，根据像素点的摇摆曲线获得样品待测晶面的第二类应变分布：
其中，β为摇摆曲线的半高全宽。
10.一种利用双能衍射测量应变分布的装置，其特征在于，包括：
同步辐射装置，用于产生包含不同能量的X射线；
单色器，用于选择单一能量的X射线；
调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；
探测器，用于接收样品待测晶面在不同能量的X射线照射下样品待测晶面产生的衍射斑，并记录衍射斑信息及对应的旋转角度；
应变分布处理器，用于根据E1、E2能量X射线照射下产生的第一衍射斑和第二衍射斑像素点在不同旋转角度时的光强获取对应像素点在光强最大时的旋转角度差，根据所述对应像素点的旋转角度差确定第一衍射斑中像素点对应的布拉格角，利用所述布拉格角确定第一衍射斑像素点对应位置的应变，从而获得样品待测晶面的第一类应变分布；
所述应变分布处理器，还用于在E1能量X射线照射下，根据所述第一衍射斑像素点在不同旋转角度处的光强获得样品待测晶面的第二类应变分布。
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