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X射線殘余應(yīng)力測定儀

一、儀器用途:

本儀器依據(jù)中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn) GB7704--2008《X射線應(yīng)力測定方法》，能夠在短時(shí)間內(nèi)無損地測定材料表面指定點(diǎn)、指定方向的殘余應(yīng)力（用“ + ”、“ － ”號(hào)分別表示拉、壓應(yīng)力）， 并具備測定主應(yīng)力大小和方向的功能。在構(gòu)件承載的情況下測得的是殘余應(yīng)力與載荷應(yīng)力之代數(shù)和，即實(shí)際存在的應(yīng)力。適用于各種金屬材料經(jīng)過各種工藝過程（如鑄造、鍛壓、焊接、磨削、車削、噴丸、熱處理及各種表面熱處理）制成的構(gòu)件。本系統(tǒng)因功能齊全而適于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究工作，又因輕便靈活而適于現(xiàn)場測量。

各種機(jī)械構(gòu)件在制造時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在制造過程中，適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力可能成為零件強(qiáng)化的因素，不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則可能導(dǎo)致變形和開裂等工藝缺陷; 在加工以后，殘余應(yīng)力將影響構(gòu)件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力及形狀尺寸的穩(wěn)定性。 一個(gè)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)如何，是設(shè)計(jì)者、制造者和使用者共同關(guān)心的問題。無損地測定殘余應(yīng)力是改進(jìn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高工藝效果，檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行設(shè)備安全分析的必要手段。

為了說明殘余應(yīng)力測試技術(shù)的應(yīng)用場合，于此列舉如下事例：

在現(xiàn)代機(jī)械工程中，由于焊接技術(shù)的進(jìn)展，使許多巨大金屬機(jī)構(gòu)的制造成為可能，但隨之而來的問題就包括如何測定并進(jìn)而控制其殘余應(yīng)力的大小和分布。這是一個(gè)**不可掉以輕心的問題，它關(guān)系到工程的質(zhì)量、壽命和安全。實(shí)際上，對(duì)于諸如球罐、塔器、軋輥、鐵路、橋梁船舶、海上石油平臺(tái)、水利水電工程中的大閘門和壓力鋼管等等大型構(gòu)船舶、海上石油平臺(tái)、水利水電工程中的大閘門和壓力鋼管等等大型構(gòu)件，以及航空、航天、核工業(yè)的有關(guān)設(shè)備，各有關(guān)部門都已把測定和控制殘余應(yīng)力的問題提到重要議事日程上來。

為了消除對(duì)構(gòu)件帶來不良影響的殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)的熱時(shí)效方法還在普遍采用，而后來興起的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)也正逐步形成推廣應(yīng)用的熱潮。顯然，檢測構(gòu)件時(shí)效前后，特別是振動(dòng)時(shí)效前后各部位殘余應(yīng)力的變化，對(duì)于確定和正確掌握時(shí)效工藝是十分必要的。

為了提高某些零件的疲癆強(qiáng)度，材料強(qiáng)度專家們提出采用噴丸、滾壓、表面熱處理以及表面化學(xué)熱處理等辦法。就其強(qiáng)化機(jī)理而言，這里就包括 一個(gè)至關(guān)重要的因素──殘余壓應(yīng)力的作用。因此，無損地測定零件表面殘余應(yīng)力對(duì)于確定和正確掌握強(qiáng)化工藝也是十分必要的。 近年來在軸承、軋輥、齒輪、彈簧等等行業(yè)已經(jīng)把殘余應(yīng)力和殘余奧氏體含量測定當(dāng)作必檢項(xiàng)目，用以控制產(chǎn)品質(zhì)量。

機(jī)械設(shè)備的失效分析表明，應(yīng)力腐蝕是導(dǎo)致零部件損傷和斷裂事故的主要原因之一。其中，因焊接或其它工藝產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力所引起的事故占大多數(shù)。因此對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中工作的構(gòu)件，殘余應(yīng)力是正或是負(fù)，以及**值的大小肯定是不容忽視的參數(shù)。

許多零件經(jīng)過淬火、回火、磨削之后發(fā)現(xiàn)了裂紋。為了判定裂紋產(chǎn)生的主要原因，就必須分別研究熱處理應(yīng)力和磨削應(yīng)力。

為了保證零部件形狀尺寸的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，也必須重視它的殘余應(yīng)力現(xiàn)狀和變化趨勢。凡要求精密之處，測定關(guān)鍵零部件的殘余應(yīng)力顯然是非常重要的。

在各種無損測定殘余應(yīng)力的方法之中，X射線衍射法被公認(rèn)為*可靠和*實(shí)用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了七十余年的進(jìn)程，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)，取得了**成果。

X-射線應(yīng)力測定儀是一種簡化和實(shí)用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項(xiàng)重要的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件，而且能夠針對(duì)同一點(diǎn)以不同的φ角、Ψ角進(jìn)行測試，以探測織構(gòu)的影響，這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。

采用TK-360-A型測角儀可以測定各種實(shí)體工件的織構(gòu)。

二、測量原理: X射線應(yīng)力測定儀

測量原理基于X射線衍射理論。 當(dāng)一束具有一定波長λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ上接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線衍射現(xiàn)象（如左圖所示）。X射線的波長λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從**的布拉格定律：

2d Sinθ＝n λ （n＝1，2，3……）

在已知X射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會(huì)相應(yīng)改變。因此我們有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應(yīng)力σ。

關(guān)于X射線應(yīng)力測量原理還可以作如下進(jìn)一步的解釋：

眾所周知，對(duì)于晶粒不粗大、無織構(gòu)的多晶材料來說，在一束X光照射范圍內(nèi)便有許許多多個(gè)晶粒， 其中必有許多晶粒，其指定的（h k l）晶面平行于試樣表面，晶面法線與表面法線夾角ψ為0；也必有許多晶粒，其（h k l）晶面法線與表面法線成任意的ψ。首先，如圖A所示，以試樣表面某點(diǎn)(o點(diǎn))法線為軸，將一束適當(dāng)波長的X光和探測器（計(jì)數(shù)管）對(duì)稱地指向該點(diǎn)O，并同步地相向掃描改變?nèi)肷浣呛头瓷浣恰８鶕?jù)布拉格定律，可以找到平行于試樣表面的（h k l）晶面的衍射峰和對(duì)應(yīng)的衍射角2θ 。這個(gè)由X光束和計(jì)數(shù)管軸線組成的平面稱作掃描平面，衍射晶面的法線必在掃描平面內(nèi)，并居于X光束和計(jì)數(shù)管軸線二者角平分線的位置上。讓我們記住，此時(shí)掃描平面與試樣表面垂直，衍射晶面與試樣表面平行，ψ＝0（如圖B）。然后，掃描平面以圖A中直線OY為軸轉(zhuǎn)過一個(gè)ψ角（如圖C），同樣也可以得到（h k l）晶面的衍射峰和對(duì)應(yīng)的衍射角2θ ，這時(shí)，衍射晶面法線與試樣表面法線夾角為ψ（如圖D)。

圖A 圖 B 圖 C 圖 D

在無應(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)于同一族晶面（h k l）來說，無論它居何方位，即無論ψ角等于何值，晶面間距d均相等；根據(jù)布拉格定律，相應(yīng)的衍射角2θ也應(yīng)相等。當(dāng)有應(yīng)力存在時(shí)，譬如沿圖中OX方向存在拉應(yīng)力，則平行于表面（即ψ＝0）的（h k l）晶面，其間距d會(huì)因泊松比的關(guān)系而縮小（見圖B）；隨著ψ角的增大，晶面間距d會(huì)因拉應(yīng)力的作用而增大（見圖D）。于是相應(yīng)的衍射角2θ也將隨之改變──按照布拉格定律，d 變小，則2θ變大；d 變大，則2θ變小。顯然2θ隨ψ角變化的急緩程度與應(yīng)力σ大小密切相關(guān)。對(duì)于各向同性的多晶材料，在平面應(yīng)力狀況下，依據(jù)布拉格定律和彈性理論可以導(dǎo)出，應(yīng)力值σ正比于2θ隨Sin ψ變化的斜率M，即

σ＝K·M

????2θ

M＝ ——————

??Sin2 ψ

式中K為應(yīng)力常數(shù)，

E π

K = — ————— Ctgθ0 ·————

? 2（1+μ） 180

式中E為楊氏模量，μ為泊松比，θ0為無應(yīng)力狀態(tài)的布拉格角。對(duì)于指定材料，K值可以從資料中查出或通過實(shí)驗(yàn)求出。這樣，測定應(yīng)力的實(shí)質(zhì)問題就變成了選定若干ψ角測定對(duì)應(yīng)的衍射角2θ。 X-350A X射線應(yīng)力測定儀可以自動(dòng)完成測量并給出*終結(jié)果和某些有價(jià)值的物理參數(shù)。

X射線應(yīng)力測定儀

三、儀器結(jié)構(gòu)：

本儀器主機(jī)由以下五部分組成：PC微機(jī)、主控箱、高壓電源箱、測角儀及臺(tái)式支架、PC 微機(jī)的*低配置應(yīng)能支持Windows7/xp。

主控箱內(nèi)有高壓電源控制系統(tǒng)、接口線路和單片機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、計(jì)數(shù)放大器，以及1500V、24V、5V電源。

高壓電源箱輸出15kV～30kV電壓，通過高壓電攬供給測角儀上的 X 射線管。 測角儀是測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)。儀器的核心部件 X 射線管和 X 射線探測器就裝在測角儀上。本儀器的測角儀為θ-θ掃描Ψ測角儀。這是本研究所的**技術(shù)。

X 射線管和 X 射線探測器同步等量相背掃描，二者各前進(jìn)一個(gè) θ，則衍射角改變 2θ，故名θ-θ掃描。在整個(gè)掃描過程中，衍射晶面法線保持不動(dòng)，準(zhǔn)確體現(xiàn)固定Ψ法的幾何要求。

將上述θ-θ掃描平面設(shè)置在與Ψ平面相垂直的位置上，衍射晶面法線含于θ-θ掃描平面之中，且處在與試樣表面垂直的平面里。這樣，可以直觀地看出，當(dāng)θ-θ掃描平面沿著Ψ導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該平面與試樣表面之夾角就是Ψ角——衍射晶面與試樣表面法線之夾角。這正是側(cè)傾法的幾何布置。所謂Ψ 測角儀，其實(shí)質(zhì)即在于此。

測角儀上采用了圓弧滾動(dòng)導(dǎo)軌、諧波齒輪等先進(jìn)機(jī)械元件，運(yùn)動(dòng)精密而流暢。

臺(tái)式支架用于支承測角儀。它包含 X、Y、Z 三個(gè)平移機(jī)構(gòu)，均采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。底座和加長腳上裝有螺栓支腳。調(diào)整螺栓支腳可以保證測角儀的主軸線與測試點(diǎn)法線重合。調(diào)整 Z 向平移機(jī)構(gòu)可以校準(zhǔn)測角儀至測試點(diǎn)的距離。調(diào)整 X、Y 平移機(jī)構(gòu)則是為了對(duì)準(zhǔn)選定的測試點(diǎn)，便于連續(xù)測定應(yīng)力在工件表面各點(diǎn)的分布。螺栓支腳下端的球頭用于連接電控永磁吸盤。立柱可以旋轉(zhuǎn)360°，在采用了吸盤之后，旋轉(zhuǎn)立柱可以擴(kuò)大測試范圍。

殘余應(yīng)力測定儀

四、功能特點(diǎn)：

X射線應(yīng)力測定方法分為同傾法和側(cè)傾法， 側(cè)傾法比同傾法具有無可比擬的優(yōu)越性；從另一角度分類又分為固定ψ0法和固定ψ法，后者又因原理準(zhǔn)確實(shí)用效果好而優(yōu)于前者。更具魅力的是將此二優(yōu)結(jié)合起來，即在側(cè)傾的條件下實(shí)施固定ψ法便會(huì)產(chǎn)生喜人的新特點(diǎn)──吸收因子恒等于1。這就是說，不論衍射峰是否漫散，它的背底都不會(huì)傾斜，峰形基本對(duì)稱，而且在無織構(gòu)的情況下峰形及強(qiáng)度不隨ψ角的改變而變化（如圖所示）。顯然這個(gè)特點(diǎn)對(duì)提高測量精度是十分有利的。所以行家們的共識(shí)：側(cè)傾固定ψ法是*理想的測量方法 。然而，除了國產(chǎn)X-350A型以外，迄今國內(nèi)外尚無以側(cè)傾固定ψ法為主的應(yīng)力測定儀。在X射線應(yīng)力測定領(lǐng)域里普遍采用的都是同傾固定ψ 0法。對(duì)于使用多功能儀器者來說，雖然在必要時(shí)可以實(shí)現(xiàn)固定ψ法和側(cè)傾法，但是由于儀器機(jī)構(gòu)和功能的限制，總會(huì)伴隨諸多困難和麻煩，更難應(yīng)用于現(xiàn)場測量。新型 X-350A X射線應(yīng)力測定儀當(dāng)年便是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。本儀器以其**性和先進(jìn)性獲得國家**(ZL **號(hào)：98244375.7)。我公司具有θ-θ掃描Ψ測角儀的完全獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。其功能特點(diǎn)如下：

１、本儀器的測角儀以其獨(dú)特的構(gòu)思和巧妙的設(shè)計(jì)，使得在2θ平面上的X光管和探測器同時(shí)等速相對(duì)而行，嚴(yán)格滿足固定ψ法的幾何要素；另外，又使2θ平面與ψ平面相互獨(dú)立。這樣便保證了本系統(tǒng)以側(cè)傾固定ψ法為主，實(shí)現(xiàn)理想的測量方法；同時(shí)保持結(jié)構(gòu)簡潔靈活輕便的特點(diǎn)。2θ掃描范圍：120°～170°，在側(cè)傾法的條件下，測定應(yīng)力既可利用高衍射角又可利用較低衍射角.這樣，除適用于鐵素體型鋼和鑄鐵材料之外，還為奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金以及高溫合金、硬質(zhì)合金等材料的應(yīng)力測定帶來方便并可提高測量精度。側(cè)傾固定Ψ法另一特點(diǎn)是對(duì)于各種形狀的零部件有更好的適應(yīng)性，特別是對(duì)于齒輪的齒根部位。

２、本儀器θ-θ掃描Ψ測角儀的衍射幾何 為聚焦法。如圖所示。在 X 射線管和 X 射線探測器以θ-θ方式沿測角儀圓掃描過程中，X 光源點(diǎn)、試樣上被照射點(diǎn)和探測器接受點(diǎn)，三者隨時(shí)同處在一個(gè)聚焦圓上，當(dāng)然，隨著掃描過程，聚焦圓的大小是逐步變化的。

３、測定殘余奧氏體含量更為便當(dāng)。本儀器2θ掃描范圍120°～170°， 一次掃描可以得到αFe(211) 、γFe(220)兩個(gè)完整的衍射峰，無需另外安裝延長掃描范圍的附件，測試更加方便、快捷、準(zhǔn)確。而且可以針對(duì)同一測試點(diǎn)取不同的Φ角、角進(jìn)行測定，以便探測織構(gòu)的影響。必要時(shí)，可以做到殘奧含量和殘余應(yīng)力同時(shí)測定，亦即一次測量得到殘奧含量和殘余應(yīng)力兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。這些都是本儀器獨(dú)有的功能，對(duì)于各種實(shí)體工件具有極其可貴的實(shí)用價(jià)值。

４、支架與測角儀之間可以裝備針對(duì)同一測試點(diǎn)轉(zhuǎn)Φ角的連接機(jī)構(gòu)，這樣即可測定主應(yīng)力的大小及其方向，測定剪切應(yīng)力。

５、應(yīng)用PC微電腦，Windows 環(huán)境操作，界面友好，使用方便。提供側(cè)傾、同傾固定ψ法、擺動(dòng)法應(yīng)力測定以主應(yīng)力計(jì)算、殘奧測定等專用軟件，豐富而實(shí)用。自動(dòng)生成專業(yè)而翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；根據(jù)用戶要求，還可以生成英文版實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

６、引入交相關(guān)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯著提高定峰和應(yīng)力測量精度。

７、為X光管配置高壓開關(guān)電源，**功率30KV×10mA，穩(wěn)定度優(yōu)于0.1% 。

８、采用微型激光器校準(zhǔn)測試點(diǎn)的位置與方向。

應(yīng)力測定儀

五、主要技術(shù)參數(shù):

★測量方法：側(cè)傾固定ψ法，擺動(dòng)法，殘奧測定，織構(gòu)測定。

定峰方法：交相關(guān)法，半高寬法，拋物線法，重心法。

儀器精度：采用還原鐵粉作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。 使用Cr靶Kα輻射，鐵粉（211）晶面，衍射角2θ測定誤差在±0.015°以內(nèi)；鐵粉應(yīng)力測量值應(yīng)穩(wěn)定達(dá)到在±10MPa以內(nèi)。

★測角儀型式：θ-θ掃描ψ測角儀

★２θ掃描范圍：120°～170°；

２θ掃描*小步距：0.01°

２θ掃描每步計(jì)數(shù)時(shí)間：0.1S～20S

ψ角范圍：0°～ 65°

ψ角擺動(dòng)角度：0°～±6°

X射線管電壓：15～30kV，連續(xù)可調(diào)

X射線管電流：3～10mA，連續(xù)可調(diào)

X射線管靶材：Cr， Co， Cu， 其中Cr靶為常備，其余供選購。

衍射幾何：聚焦法

準(zhǔn)直管直徑：提供產(chǎn)生直徑分別為?1、? 1.5、? 3、? 4.5、? 6mm X光斑的準(zhǔn)直管。

測角儀重量：10 kg

*簡裝置總重量：45 kg

供電要求：AC 220V±10%，1000W，50Hz

應(yīng)力測定儀