CN110618152B - 一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法及装置 - Google Patents

一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，属于材料取向和应变分布测量技术领域，解决了现有技术中测量效率低、难以大面积测量的问题。该方法包括以下步骤：用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，在采样旋转角度范围内，采集待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度，消光像信息包括消光像中像素点的光强；根据像素点的光强及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线；根据像素点摇摆曲线获得像素点对应位置的晶粒取向和应变，从而获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。该方法可快速、高效、大面积测量材料的晶粒取向分布和第二类应变分布，且操作简单、误差小、测量结果精度高。

Description

一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法及装置
技术领域
本发明涉及材料取向和应变分布测量技术领域，尤其涉及一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法及装置。
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射线的应变测量中，利用高能单色X射线基于衍射像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，测量装置和数据分析较复杂。
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，难以同时大面积测量；二是基于同步辐射X射线产生衍射像的应变测量操作复杂、效率低且测量误差大。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法及装置，用以解决现有测量技术操操作复杂、误差大、且难以大面积测量的问题。
一方面，本发明提供了一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法。该方法包括以下步骤：用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，在采样旋转角度范围内，采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度，所述消光像信息包括消光像中像素点的光强；根据所述像素点的光强及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线；根据所述像素点摇摆曲线获得像素点对应位置的晶粒取向和应变，从而获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
进一步的，还包括确定采样旋转角度范围及待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。
进一步的，通过下述方式确定所述采样旋转角度范围及发生衍射的晶面：
用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，旋转所述待测准单晶平板样品，确定旋转过程中能够产生衍射像的角度范围；
调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离L，使探测器可同时接收消光像和衍射像；
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，采集消光像和衍射像，并根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述距离L确定布拉格角θ1；
根据所述布拉格角θ1确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。
进一步的，根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述距离L确定布拉格角θ1，具体公式如下：
Figure BDA0002218438830000021
进一步的，通过下述方式采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度；
在采样旋转角度范围内，调整产生X射线的同步辐射装置的限制狭缝，使X射线能够照射整个所述待测准单晶平板样品产生消光像和衍射像，并调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离，使探测器可全屏接收消光像；
以设定步长旋转所述待测准单晶平板样品，采集每个旋转角度下对应的消光像信息。
进一步的，根据像素点摇摆曲线获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布，具体为：
获取所述像素点摇摆曲线的半高全宽Δω和峰位对应的旋转角度；
根据所述峰位对应的旋转角度确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的晶粒取向；
根据所述半高全宽Δω确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变，从而获得所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
进一步的，根据半高全宽Δω确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变，具体流程如下：
根据待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶面法向量与旋转轴的夹角
Figure BDA0002218438830000031
对所述半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl；
根据所述修正后的半高全宽βhkl通过下述公式确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变：
Figure BDA0002218438830000032
其中，θhkl为待测准单晶平板样品无应力分布时产生的衍射斑中的像素点对应的布拉格角。
进一步的，通过下述方式确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶面法向量与旋转轴的夹角
Figure BDA0002218438830000041
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，根据入射X射线方向和出射X射线方向确定所述晶面法向量的方向矢量；
利用矢量夹角公式根据旋转轴的方向矢量与所述晶面法向量的方向矢量获得所述夹角
Figure BDA0002218438830000042
进一步的，根据夹角
Figure BDA0002218438830000043
对半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl，具体公式为：
Figure BDA0002218438830000044
根据上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1、同步辐射X射线照射待测样品产生消光像，利用探测器可同时采集数百万的像素点信息，从而可以实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布的大面积测量；
2、相比于常规测量方法基于衍射像信息，本发明是基于待测样品产生的消光像信息实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布的大面积测量，无需对消光像和衍射像进行过多调整并进行区域匹配，操作过程更加简单、效率高、且测量精度高。
另一方面，本发明提供了一种衍射消光成像测量取向和应变分布的装置。该装置包括：同步辐射装置，用于产生X射线；单色器，用于获得单一能量准平行的X射线；样品调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；探测器调整台，用于升降、平移探测器；探测器，用于接收待测准单晶平板样品在不同旋转角度下产生的消光像和衍射像，记录消光像和衍射像对应位置的距离信息；还用于全屏接收消光像信息，并记录消光像信息及对应的旋转角度；处理器，用于根据消光像和衍射像对应位置的距离信息确定发生衍射的布拉格角，并根据布拉格角确定发生衍射的晶面；还用于根据消光像信息及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线，进而根据所述摇摆曲线获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
由于本发明中的衍射消光成像测量取向和应变分布的装置与上述衍射消光成像测量取向和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为本发明实施例衍射消光成像测量取向和应变分布的方法的一种流程图；
图2为衍射消光成像测量取向和应变分布的方法实施时的一种示意图；
图3为衍射消光成像测量取向和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，公开了一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，如图1所示。利用X射线衍射消光成像技术，以探测器单个像素点为采集单元，通过对衍射消光像的百万像素点的并行测量，可以实现每分钟获得消光像中一百万以上数量的像素点摇摆曲线，像素点摇摆曲线的半高全宽对应了待测样品相应位置的第二类应变，像素点摇摆曲线的峰位信息对应了待测样品相应位置的晶粒取向，从而高通量获取样品产生消光像区域的晶粒取向分布和第二类应变分布。
其中，待测样品为单晶且为平板状，材质为合金，例如可以是镍基高温合金。
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：用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，在采样旋转角度范围内，采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度，所述消光像信息包括消光像中像素点的光强；根据所述像素点的光强及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线；根据所述像素点摇摆曲线获得像素点对应位置的晶粒取向和应变，从而获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
具体实施时，如图2所示。其中，
沿不同的旋转轴旋转待测样品，可以测量获得待测样品晶面不同方向上的第二类应变分布。
可选的，为测量待测样品的某一晶面在拉升方向和垂直于拉伸方向的第二类应变分布，则以该待测平板样品内相互垂直的两个轴为旋转轴分别旋转待测样品，以水平方向的旋转轴旋转样品可测得待测样品拉升方向的第二类应变分布，以竖直方向的旋转轴旋转样品可测得待测样品垂直于拉升方向的第二类应变分布。
具体的，还包括确定采样旋转角度范围及待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。其中，采样角度范围通常在理论布拉格角的附近，即通过布拉格衍射公式计算得到的布拉格角。
优选的，通过下述方式确定所述采样旋转角度范围及发生衍射的晶面：
用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，旋转所述待测准单晶平板样品，确定旋转过程中能够产生衍射像的角度范围；
调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离L，使探测器可同时接收消光像和衍射像；
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，采集消光像和衍射像，并根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述距离L确定布拉格角θ1；其中，在采样旋转角度范围内每一旋转角度下，采集的消光像和衍射像对应位置间的距离d大小相等，对应位置可以是对应像素点见的距离d。
根据所述布拉格角θ1确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面，具体方式如下：
利用下述布拉格衍射公式根据布拉格角θ1可以获得晶面间距d：
2d×sin(θ)＝λ，
其中，θ为晶面发生衍射的布拉格角，λ为入射X射线的波长，d为晶面间距；
晶面和晶面间距一一对应，根据晶面间距d可以确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。
优选的，根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述物探距离L确定布拉格角θ1，具体公式如下：
Figure BDA0002218438830000081
为了获取像素点的摇摆曲线，通过下述方式采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度；摇摆曲线的纵坐标为像素点的光强，横坐标为对应的旋转角度。
在采样旋转角度范围内，调整产生X射线的同步辐射装置的限制狭缝，使X射线能够照射整个所述待测准单晶平板样品产生消光像和衍射像，并调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离，使探测器可全屏接收消光像，以实现大面积测量待测样品的晶粒取向分布和第二类应变分布。
现有的利用限制狭缝定位样品的技术主要是用的点探测器，即把限制狭缝、照射晶面的位置和探测器分别当作一个点，来确定发生衍射的位置。
而本发明中采用的是面探测器，限制狭缝不是用来定位样品的，而主要是用来调节照射样品的尺寸产生消光像和衍射像，并利用面探测器全屏接收消光像。
以设定步长旋转所述待测准单晶平板样品，采集每个旋转角度下对应的消光像信息。步长的设定范围可以为0.005°～0.01°，以更加准确的找到像素点光强最大时对应的旋转角度。
优选的，根据像素点摇摆曲线获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布，具体为：
获取所述像素点摇摆曲线的半高全宽Δω和峰位对应的旋转角度；
根据所述峰位对应的旋转角度确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的晶粒取向；
根据所述半高全宽Δω确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变，从而获得所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
具体的，根据半高全宽Δω确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变，具体流程如下：
为了使测量结果更加准确，根据待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶面法向量与旋转轴的夹角
Figure BDA0002218438830000091
对所述半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl；
根据所述修正后的半高全宽βhkl通过下述公式确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变：
Figure BDA0002218438830000092
其中，θhkl为待测准单晶平板样品无应力分布时产生的衍射斑中的像素点对应的布拉格角。
优选的，通过下述方式确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶面法向量与旋转轴的夹角
Figure BDA0002218438830000093
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，根据入射X射线方向和出射X射线方向确定所述晶面法向量的方向矢量；
利用矢量夹角公式根据旋转轴的方向矢量与所述晶面法向量的方向矢量获得所述夹角
Figure BDA0002218438830000101
优选的，根据夹角
Figure BDA0002218438830000102
对半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl，具体公式为：
Figure BDA0002218438830000103
本实施例提供的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，与现有技术相比，一方面，同步辐射X射线照射待测样品产生消光像，利用探测器可同时采集数百万的像素点信息，从而可以实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布的大面积测量；另一方面，相比于常规测量方法基于衍射像信息，本发明是基于待测样品产生的消光像信息实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布大面积测量，无需对消光像和衍射像进行过多调整并进行区域匹配，操作过程更加简单、效率高、且测量精度高。
装置实施例
本发明的另一个具体实施例，公开了一种衍射消光成像测量取向和应变分布的装置，如图3所示。该装置包括：同步辐射装置，用于产生X射线；单色器，用于获得单一能量准平行的X射线；样品调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；探测器调整台，用于升降、平移探测器；探测器，用于接收待测准单晶平板样品在不同旋转角度下产生的消光像和衍射像，记录消光像和衍射像对应位置的距离信息；还用于全屏接收消光像信息，并记录消光像信息及对应的旋转角度；处理器，用于根据消光像和衍射像对应位置的距离信息确定发生衍射的布拉格角，并根据布拉格角确定发生衍射的晶面；还用于根据消光像信息及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线，进而根据所述摇摆曲线获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶粒取向分布和第二类应变分布。
优选的，探测器采用1024*1024的常规X射线间接成像探测器，可以同时采集约400万个像素点信息，实现大面积测量待测样品的晶粒取向分布和第二类应变分布。
本实施例提供的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的装置，与现有技术相比，一方面，同步辐射X射线照射待测样品产生消光像，利用探测器可同时采集数百万的像素点信息，从而可以实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布的大面积测量；另一方面，相比于常规测量方法基于衍射像信息，本发明是基于待测样品产生的消光像信息实现待测样品晶粒取向分布和第二类应变分布大面积测量，无需对消光像和衍射像进行过多调整并进行区域匹配，测量装置简单、操作过程更加简易、效率高、且测量精度高。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
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 (7)

1.一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，在采样旋转角度范围内，采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度，所述消光像信息包括消光像中像素点的光强；
根据所述像素点的光强及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线；
获取所述像素点的摇摆曲线的半高全宽Δω和峰位对应的旋转角度；
根据所述峰位对应的旋转角度确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的晶粒取向；
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，根据入射X射线方向和出射X射线方向确定所述晶面法向量的方向矢量；利用矢量夹角公式根据旋转轴的方向矢量与所述晶面法向量的方向矢量获得夹角
Figure FDA0002623080860000011
根据所述夹角
Figure FDA0002623080860000012
对所述半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl；
根据所述修正后的半高全宽βhkl通过下述公式确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变：
Figure FDA0002623080860000013
其中，θhkl为待测准单晶平板样品无应力分布时产生的衍射斑中的像素点对应的布拉格角。
2.根据权利要求1所述的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，还包括确定采样旋转角度范围及待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。
3.根据权利要求2所述的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，通过下述方式确定所述采样旋转角度范围及发生衍射的晶面：
用单色准平行的X射线照射待测准单晶平板样品，旋转所述待测准单晶平板样品，确定旋转过程中能够产生衍射像的角度范围；
调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离L，使探测器可同时接收消光像和衍射像；
在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，采集消光像和衍射像，并根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述距离L确定布拉格角θ1；
根据所述布拉格角θ1确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面。
4.根据权利要求3所述的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，所述根据消光像和衍射像对应位置间的距离d和所述距离L确定布拉格角θ1，具体公式如下：
Figure FDA0002623080860000021
5.根据权利要求1-4任一所述的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，通过下述方式采集所述待测准单晶平板样品产生的消光像信息及对应的旋转角度；
在采样旋转角度范围内，调整产生X射线的同步辐射装置的限制狭缝，使X射线能够照射整个所述待测准单晶平板样品产生消光像和衍射像，并调整所述待测准单晶平板样品与探测器间的距离，使探测器可全屏接收消光像；
以设定步长旋转所述待测准单晶平板样品，采集每个旋转角度下对应的消光像信息。
6.根据权利要求1所述的一种衍射消光成像测量取向和应变分布的方法，其特征在于，所述根据夹角
Figure FDA0002623080860000031
对半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl，具体公式为：
Figure FDA0002623080860000032
7.一种衍射消光成像测量取向和应变分布的装置，其特征在于，包括：
同步辐射装置，用于产生X射线；
单色器，用于获得单一能量准平行的X射线；
样品调整台，用于固定、平移或旋转待测样品；
探测器调整台，用于升降、平移探测器；
探测器，用于接收待测准单晶平板样品在不同旋转角度下产生的消光像和衍射像，记录消光像和衍射像对应位置的距离信息；还用于全屏接收消光像信息，并记录消光像信息及对应的旋转角度；
处理器，用于根据消光像和衍射像对应位置的距离信息确定发生衍射的布拉格角，并根据布拉格角确定发生衍射的晶面；还用于根据消光像信息及对应的旋转角度确定像素点的摇摆曲线；获取所述像素点的摇摆曲线的半高全宽Δω和峰位对应的旋转角度；根据所述峰位对应的旋转角度确定所述待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的晶粒取向；在采样旋转角度范围内的任一旋转角度下，根据入射X射线方向和出射X射线方向确定所述晶面法向量的方向矢量；利用矢量夹角公式根据旋转轴的方向矢量与所述晶面法向量的方向矢量获得待测准单晶平板样品发生衍射的晶面的晶面法向量与旋转轴的夹角
Figure FDA0002623080860000033
根据所述夹角
Figure FDA0002623080860000041
对所述半高全宽Δω进行修正得到修正后的半高全宽βhkl；根据所述修正后的半高全宽βhkl通过下述公式确定待测准单晶平板样品发生衍射的晶面中像素点对应位置的应变：
Figure FDA0002623080860000042
其中，θhkl为待测准单晶平板样品无应力分布时产生的衍射斑中的像素点对应的布拉格角。
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