角度分散法中子衍射应力测试技术的应用

    各种工程结构与机械部件在使用过程中除自身重力外，还要受到很多静态应力与动态应力的作用。为确保各种设施与机械结构的安全使用与正常运转，很有必要对其所受的应力进行综合分析，以保证所用材料的强度具有足够的安全余量。由于开发中的设施与结构通常比过去要复杂得多，为兼顾结构很难实现结构的最优化。其主要原因是基于弹塑性理论的有限元分析法并不能完全包括实际部件与结构的所有状况，再加上模拟计算所使用的边界条件需要适当检验以保证模拟精度［１－４］。

    部件结构在外力作用下会发生变形，而变形的大小则与外力作用下材料受到的内部应力有关。由于部件的结构强度是由材料内部应力和材料抵抗变形的能力来确定，所以有必要测定部件结构中的最大应力。另外，大多数机械装置在组装、表面处理以及焊接等过程中会产生残余应力，在没有外力作用的情况下结构也有可能会发生破坏失效，所以定量测定部件结构的残余应力也非常重要。长期的生产和应用实践表明，准确测定产品零件的工作应力和残余应力及其分布对于防止裂纹废品的优化工艺设计和采取控制措施以避免零件在服役过程中发生灾难性失效具有极其重要的作用。过去的应力测定无论是在精确度或／和是在试样的破坏程度方面，均受到传统方法的限制［５－６］。鉴于中子衍射应力测试技术对于应力及其分布准确测定的不可替代作用，笔者从材料开发工作者的角度出发，综述了角度分散法中子衍射应力测试技术的基本原理，并通过几个实例介绍了中子衍射技术的应用现状。

    １应力测试技术现状

    应力测试技术分为有损测试技术和无损测试技术。有损测试技术是采用机械加工的方法对被测结构件进行部分加工或完全剥离去除材料来完全或部分释放应力，并通过用多个应变片组成的应变花来记录应力释放产生的局部位移变化，然后用弹性力学公式来推断原始应力的测试方法［２－４］。如等高线法［２］、剖分法［２］、逐层去除法［３］、切条法［４］、环芯法［４］以及钻孔法［７］等方法。其中，剖分法能提供单应力测定结果，钻孔法和切条法在不超过５０％屈服强度条件下能提供深度应力分布结果［７］，等高线法能提供残余应力的面分布结果［２］。由于这些方法均会对试样造成一定的损伤，因此测试后的试样将不再用作正式的部件结构，同时也不能进行加载等条件下的原位应力／应变测试。

    无损测试技术通常用来测定与应力有关的参数，如磁性应变法（ｍａｇｎｅｔｉｃ　＆ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ）和声弹性法（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ）［８］、Ｘ射线衍射法、角度分散／飞行时间中子衍射法（ｎｅｕｔｒｏｎ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）以及高能同步辐射单色／白色Ｘ射线衍射法（ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　Ｘ－ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）等。其中，磁性应变法利用磁致伸缩效应来测定应力，当应力变化时，由于结构的伸缩会引起磁路中磁通的变化，并使感应器线圈的感应电流发生变化，通过电流的变化来测试应力的变化；该方法对材料成分和组织结构较敏感，试验标定过程也较复杂［８］。声弹性法通过超声波在材料内部的传播特性，利用应力引起的声双折射效应测定出超声传播路径的平均应力，但该方法只对大型结构件的应力大致测定有效［８］。