布魯克X射線(xiàn)衍射儀應用之應力測試

Q這篇文章主要講的什么內容？A

應力測試你已經(jīng)知道的和不知道的，這里都有講，閱讀后你一定能get到新的技能！

 

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應力的產(chǎn)生

 

 應力的產(chǎn)生是因為材料中發(fā)生了不均勻的彈性變形或者彈塑性變形造成的。原因來(lái)自于三個(gè)方面：

    1、冷熱變形時(shí)沿截面塑性變形不均勻

    2、零件加熱、冷卻時(shí)，體積內溫度分布不均勻

    3、加熱、冷卻時(shí)，零件界面內相變過(guò)程不均勻?

 

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▲VANTEC-500 Detector

 

2

應力的分類(lèi)

 

根據德國學(xué)者馬赫勞赫對應力的分類(lèi)如下：

        第|類(lèi)內應力稱(chēng)為殘余應力。是存在于較大材料區域范圍（很多晶粒范圍）內的應力，是各個(gè)晶粒數值不等的內應力在很多晶粒范圍內的平均值。衍射譜線(xiàn)的位移。

        第||類(lèi)內應力稱(chēng)為微觀(guān)應力。是在較小材料其余范圍內（一個(gè)晶?；蚓Я龋┑膽Γ杭瓤赡茉斐裳苌渥V線(xiàn)的寬化，也可能造成衍射譜線(xiàn)的位移。

        第|||類(lèi)內應力稱(chēng)為晶格畸變應力或者超微觀(guān)應力。存在于極小區域范圍內（幾個(gè)原子間距內）。帶來(lái)衍射譜線(xiàn)強度的降低。

 

?第|類(lèi)內應力稱(chēng)為Macrostress，第||類(lèi)內應力和第|||類(lèi)內應力稱(chēng)為Microstress。

 

        Macrostress可通過(guò)X射線(xiàn)衍射方法根據衍射峰位置的移動(dòng)測得。Microstress可根據峰寬和峰強的變化通過(guò)TOPAS軟件擬合得到。

 

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殘余應力的測試方法及其假設

 

通常的測試的是第|類(lèi)內應力即殘余應力。測試時(shí)以及后續的分析都需要滿(mǎn)足下面的條件：

       1、X射線(xiàn)光斑覆蓋多個(gè)晶粒

       2、外加樣品形變與晶格變化相一致

       3、X射線(xiàn)照射的薄層處于平面應力狀態(tài)，即沿樣品表面法線(xiàn)方向的應力分量為零。

 

       波長(cháng)的選擇：盡量選擇長(cháng)波長(cháng)光源（例如Cr靶，Kα1=0.2289nm）進(jìn)行測試。因為長(cháng)波長(cháng)光源透射深度較小，可盡量避免應力隨樣品表面深度方向發(fā)生的梯度變化。而在晶格應變一定的情況下，高角度衍射峰的位移更明顯，測試結果也更準確。更為重要的是，樣品的置位誤差對高角度衍射峰的位置影響比低角度衍射峰小。

 

另外，

      1、粗晶樣品一般選擇短波長(cháng)。

      2、若研究的加工影響層很薄，則應該選擇波長(cháng)較長(cháng)的X射線(xiàn)。

 

衍射峰的選擇：盡量選擇高角度（2?>90?）多重性因子較高的衍射峰進(jìn)行應力的測試。

 

根據殘余應力測試的歐洲標準，常見(jiàn)材料應力測試所使用的光源和衍射峰如下：

 

 

    測試時(shí)間：建議峰的強度在1000個(gè)點(diǎn)數以上。測試應力的誤差跟測試時(shí)的半高寬和峰的強度都有關(guān)系。峰強越高，誤差越小。

 

塊體測試的測傾法及結果：測傾法是目前采用較多的測試應力的方法。跟其優(yōu)點(diǎn)如下：

      1、不需要吸收矯正

      2、可使用較低衍射角測試應力

      3、可擴大ψ角的設置范圍，提高測試的準確性

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      如圖1所示：ε_ΨΦ與sin²_Ψ成線(xiàn)性關(guān)系，斜率即是應力。圖2的情況是因為出現了切向力。圖4是由于材料中出現了織構。

 

      薄膜測試的掠入射方法及配置：當材料近表層存在陡峭應力梯度時(shí)會(huì )出現圖3所示的情況?？刹捎帽∧Φ臏y試方法，即掠入射的方法進(jìn)行。

 

 

      從圖5可以看出，介于140-145度之間的衍射峰隨著(zhù)入射角度的改變而移動(dòng)，說(shuō)明樣品表層應力梯度的存在。使用Leptos軟件可以得到類(lèi)似下圖的應力隨深度的變化圖：

 

 

4

殘余應力的釋放

 

      殘余應力的釋放存在內在驅動(dòng)力。驅動(dòng)力來(lái)源于有殘余應力存在的材料都偏離了低能量穩定態(tài)。熱力學(xué)上高能量的組織狀態(tài)總將趨向于低能量的平衡態(tài)。無(wú)外載的情況下室溫長(cháng)期保存后機件的殘余應力基本沒(méi)有變化。

 

      1、殘余應力隨溫度的升高而不斷降低。金屬材料的加熱溫度超過(guò)再結晶溫度時(shí)，殘余應力*松弛。

      2、靜載荷或者循環(huán)載荷均可造成殘余應力的松弛。