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X射線應(yīng)力測(cè)定儀

一、儀器用途:

本儀器依據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn) GB7704--2008《X射線應(yīng)力測(cè)定方法》,，能夠在短時(shí)間內(nèi)無(wú)損地測(cè)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(cè)定主應(yīng)力大小和方向的功能,。在構(gòu)件承載的情況下測(cè)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(guò)各種工藝過(guò)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(chǎng)測(cè)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(guò)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(kāi)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(wèn)題,。無(wú)損地測(cè)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(shuō)明殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)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(lái)的問(wèn)題就包括如何測(cè)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(wèn)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(mén)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(mén)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(mén)都已把測(cè)定和控制殘余應(yīng)力的問(wèn)題提到重要議事日程上來(lái),。

為了消除對(duì)構(gòu)件帶來(lái)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(lái)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(cè)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(wú)損地測(cè)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(lái)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(cè)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(guò)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(shì)。凡要求精密之處,，測(cè)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(wú)損測(cè)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(guó)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(cè)定儀是一種簡(jiǎn)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(cè)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(cè)試,，以探測(cè)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(cè)角儀可以測(cè)定各種實(shí)體工件的織構(gòu),。

二,、測(cè)量原理: X射線應(yīng)力測(cè)定儀

測(cè)量原理基于X射線衍射理論。 當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)λ的條件下,，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)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(guò)測(cè)量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求得應(yīng)力σ,。

關(guān)于X射線應(yīng)力測(cè)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(wú)織構(gòu)的多晶材料來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)的X光和探測(cè)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?。根?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(guò)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(wú)應(yīng)力狀態(tài)下,，對(duì)于同一族晶面（h k l）來(lái)說(shuō),，無(wú)論它居何方位，即無(wú)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?。ㄒ?jiàn)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(jiàn)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(wú)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(guò)實(shí)驗(yàn)求出,。這樣,，測(cè)定應(yīng)力的實(shí)質(zhì)問(wèn)題就變成了選定若干ψ角測(cè)定對(duì)應(yīng)的衍射角2θ,。 X-350A X射線應(yīng)力測(cè)定儀可以自動(dòng)完成測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)高壓電攬供給測(cè)角儀上的 X 射線管。 測(cè)角儀是測(cè)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(cè)器就裝在測(cè)角儀上。本儀器的測(cè)角儀為θ-θ掃描Ψ測(cè)角儀,。這是本研究所的**技術(shù),。

X 射線管和 X 射線探測(cè)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(guò)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(cè)角儀,，其實(shí)質(zhì)即在于此。

測(cè)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(cè)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(zhǎng)腳上裝有螺栓支腳,。調(diào)整螺栓支腳可以保證測(cè)角儀的主軸線與測(cè)試點(diǎn)法線重合。調(diào)整 Z 向平移機(jī)構(gòu)可以校準(zhǔn)測(cè)角儀至測(cè)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(cè)試點(diǎn)，便于連續(xù)測(cè)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(pán)。立柱可以旋轉(zhuǎn)360°,，在采用了吸盤(pán)之后,，旋轉(zhuǎn)立柱可以擴(kuò)大測(cè)試范圍。

四,、功能特點(diǎn)：

X射線應(yīng)力測(cè)定方法分為同傾法和側(cè)傾法， 側(cè)傾法比同傾法具有無(wú)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(lái)，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(shuō)，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(wú)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(cè)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(cè)量方法 。然而,，除了國(guó)產(chǎn)X-350A型以外，迄今國(guó)內(nèi)外尚無(wú)以側(cè)傾固定ψ法為主的應(yīng)力測(cè)定儀,。在X射線應(yīng)力測(cè)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(lái)說(shuō)，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(chǎng)測(cè)量,。新型 X-350A X射線應(yīng)力測(cè)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(guó)家**(ZL **號(hào)：98244375.7),。我公司具有θ-θ掃描Ψ測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方法,；同時(shí)保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)定帶來(lái)方便并可提高測(cè)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(cè)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(cè)器以θ-θ方式沿測(cè)角儀圓掃描過(guò)程中,，X 光源點(diǎn)、試樣上被照射點(diǎn)和探測(cè)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(guò)程,，聚焦圓的大小是逐步變化的,。

３、測(cè)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(wú)需另外安裝延長(zhǎng)掃描范圍的附件,，測(cè)試更加方便,、快捷、準(zhǔn)確,。而且可以針對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)取不同的Φ角、角進(jìn)行測(cè)定,，以便探測(cè)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(cè)定,，亦即一次測(cè)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(cè)角儀之間可以裝備針對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)轉(zhuǎn)Φ角的連接機(jī)構(gòu)，這樣即可測(cè)定主應(yīng)力的大小及其方向,，測(cè)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(cè)定以主應(yīng)力計(jì)算,、殘奧測(cè)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(cè)量精度。

７,、為X光管配置高壓開(kāi)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(cè)試點(diǎn)的位置與方向,。

應(yīng)力測(cè)定儀

五、主要技術(shù)參數(shù):

★測(cè)量方法：側(cè)傾固定ψ法,，擺動(dòng)法,，殘奧測(cè)定，織構(gòu)測(cè)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(cè)定誤差在±0.015°以內(nèi),；鐵粉應(yīng)力測(cè)量值應(yīng)穩(wěn)定達(dá)到在±10MPa以內(nèi),。

★測(cè)角儀型式：θ-θ掃描ψ測(cè)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(gòu),。

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(cè)角儀重量：10 kg

*簡(jiǎn)裝置總重量：45 kg

供電要求：AC 220V±10%,，1000W,，50Hz