一种基于X射线衍射技术的非晶残余应力测量方法技术

一种基于X射线衍射技术的非晶残余应力测量方法，本发明专利技术是为了解决现有X射线衍射应力测量方法只能针对晶体材料的问题。非晶残余应力测量方法：一、根据弹性力学原理推导出非晶体材料残余应力的表达式；二、采用应变仪测量多个非晶体材料标样的应力大小，采用X射线衍射仪测得非晶体材料标样的半高峰宽，线性拟合sin2ψ

【技术实现步骤摘要】
一种基于X射线衍射技术的非晶残余应力测量方法


[0001]本专利技术属于残余应力测量领域，具体涉及一种基于典型非晶谱线的X射线衍射残余应力的测量方法。

技术介绍

[0002]众所周知，残余应力是一个非常重要的物理量。对残余应力的测量无论在工业生产中还是科学研究中都有着非常重要的作用。尽管目前的测量手段多样，包括破坏性方法如机械钻孔法、切条法、逐层铣削法与无损检测法如X射线衍射法、中子衍射法、超声波法两大类，但是使用最广泛的仍然是基于虎克定律的X射线衍射法。X射线衍射法作为一种能够表征宏观残余应力的方法，其基本思路是一定的应力状态引起的晶格应变和按照弹性理论求出的宏观应变是一致的。而晶格应变状态可以由X射线衍射技术测出，这样就能通过测量晶格的变化来推算出宏观残余应力。经过几十年的发展，X射线衍射设备及技术有了很大的提高，X射线衍射法已经成为残余应力测量的重要手段，并被广泛应用于各个领域的科学研究和生产实践中。
[0003]当前，X射线衍射法测残余应力只能测量晶体材料，晶体材料在X射线衍射过程中会产生不同衍射晶面所对应的衍射峰，当材料中存在宏观残余应力时，会改变晶体内部晶面间距，当这种变化满足布拉格方程时，衍射峰位会发生一定程度偏移，衍射峰位偏移的程度与残余应力的大小有一定的比例关系。通过测量材料衍射峰位的改变，可得到残余应变，从而利用胡克定律计算出残余应力值。
[0004]对于非晶体材料而言，X射线谱中只有典型的漫散峰，称为非晶包，没有晶格的存在，无法表征出应力作用下晶格变化引起的残余应变。然而非晶态结构的主要特点是在任意原子周围不多的几个原子间距内的原子排列存在一定规律，即短程有序性。可通过径向分布函数计算得到原子平均位移，非晶体材料存在残余应力时会导致原子平均位移的改变，因此原子实际偏离平均位置的程度可以表征非晶态材料的残余应力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有X射线衍射应力测量方法只能针对晶体材料的问题，而提供一种针对非晶体材料的残余应力测量方法。
[0006]本专利技术基于X射线衍射技术(X射线衍射谱)的非晶残余应力测量方法按照以下步骤实现：
[0007]一、根据弹性力学原理与三维虎克定律推导出非晶体材料残余应力σ
′
的表达式如下：
[0008][0009]式中：E为非晶体材料的杨氏模量，ν为泊松比，FWHM为非晶峰的半高峰宽，ψ为入射线与非晶体材料表面法线间的夹角；
[0010]二、采用应变仪测量多个非晶体材料标样的应力大小σ，再采用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，得到非晶体材料标样的半高峰宽(FWHM)，以sin2ψ为横坐标，非晶衍射峰的半高峰宽FWHM为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合，拟合的直线斜率为将带入公式(1)中，计算得到非晶体材料标样的残余应力σ
φ
′
，从而确定应力测量系数校正后非晶体材料残余应力σ的表达式如公式(2)所示；
[0011][0012]三、利用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，在测定方向平面内测出待测非晶体材料在多个不同ψ方位的非晶衍射峰的半高峰宽FWHM；
[0013]四、根据步骤三中选择的ψ角，以及测量得到的非晶衍射峰的半高峰宽FWHM，以sin2ψ为横坐标，非晶衍射峰的半高峰宽FWHM为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合，拟合的直线斜率则为
[0014]五、将步骤四得到的代入公式(2)中，从而计算得到非晶体材料的残余应力。
[0015]本专利技术通过对非晶SiO2等氧化物进行测量和标定，得到了非晶残余应力X射线衍射方法的普适公式，该公式可通过FWHM
‑
sin2ψ直线斜率的正负来判断残余应力是张应力还是压应力，通过直线斜率的大小来获得应力值的大小。
附图说明
[0016]图1为实施例中施加不同压应力情况下，SiO2非晶X射线衍射图；
[0017]图2为已知标样应力状态下的XRD非晶应力测量图；
[0018]图3为实施例中步骤三所得不同ψ方位的非晶衍射峰曲线图；
[0019]图4为不同样品的FWHM
‑
sin2ψ直线斜率测量图；
[0020]图5为晶体材料宏观应力测量示意图。
具体实施方式
[0021]具体实施方式一：本实施方式本专利技术基于X射线衍射技术(X射线衍射谱)的非晶残余应力测量方法按照以下步骤实施：
[0022]一、根据弹性力学原理与三维虎克定律推导出非晶体材料残余应力σ
′
的表达式如下：
[0023][0024]式中：E为非晶体材料的杨氏模量，ν为泊松比，FWHM为非晶峰的半高峰宽，ψ为入射线与非晶体材料表面法线间的夹角；
[0025]二、采用应变仪测量多个非晶体材料标样的应力大小σ，再采用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，得到非晶体材料标样的半高峰宽(FWHM)，以sin2ψ为横坐标，非晶衍射峰的半高峰宽FWHM为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合，拟合的直线斜率为将带入公式(1)中，计算得到非晶体材料标样的残余应力σ
φ
′
，从而确定应力测量系数校正后非晶体材料残余应力σ的表达式如公式(2)所示；
[0026][0027]三、利用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，在测定方向平面内测出待测非晶体材料在多个不同ψ方位的非晶衍射峰的半高峰宽FWHM；
[0028]四、根据步骤三中选择的ψ角，以及测量得到的非晶衍射峰的半高峰宽FWHM，以sin2ψ为横坐标，非晶衍射峰的半高峰宽FWHM为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合，拟合的直线斜率则为
[0029]五、将步骤四得到的代入公式(2)中，从而计算得到非晶体材料的残余应力。
[0030]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中非晶体材料标样选取4～10个。
[0031]具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤二中非晶体材料标样选取5～8个。
[0032]具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中ψ方位角的选择范围为0
°
～30
°
。
[0033]具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤三中ψ方位角的选择范围为0
°
～10
°
。
[0034]实施例：本实施例基于X射线衍射技术的非晶残余应力测量方法按照以下步骤实施：
[0035]一、根据弹性力学原理与三维虎克定律推导出非晶体材料残余应力σ
′
的表达式如下：
[0036][0037]式中：E为非晶体材料的杨氏模量，ν为泊松比，FWHM为非晶峰的半高峰宽，ψ为入射线与非晶体材料表面法线间的夹角；
[0038]二、采用应变仪测量多个非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于X射线衍射技术的非晶残余应力测量方法，其特征在于该非晶残余应力测量方法按照以下步骤实现：一、根据弹性力学原理与三维虎克定律推导出非晶体材料残余应力σ
′
的表达式如下：式中：E为非晶体材料的杨氏模量，ν为泊松比，FWHM为非晶峰的半高峰宽，ψ为入射线与非晶体材料表面法线间的夹角；二、采用应变仪测量多个非晶体材料标样的应力大小σ，再采用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，得到非晶体材料标样的半高峰宽FWHM，以sin2ψ为横坐标，非晶衍射峰的半高峰宽FWHM为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合，拟合的直线斜率为将带入公式(1)中，计算得到非晶体材料标样的残余应力σ
φ
′
，从而确定应力测量系数k，校正后非晶体材料残余应力σ的表达式如公式(2)所示；三、利用X射线衍射仪在偏置角的θ
‑
2θ扫描模式下，在测定方向平面内测出待测非晶体材料在多...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟力，费维栋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：