中子衍射残余应力无损测量与谱仪研发

　　残余应力是关乎机械部件和工程质量、寿命和安全的重要因素。目前测量残余应力的方法有很多种[1-6],如钻孔法、环芯法、剥层法、X射线衍射法、同步辐射法、中子衍射法、磁性法和超声法等。图1[7]阐明了不同应力测量方法空间分辨力与所能达

　　所能达到深度之间的关系到深度之间的关系。中子衍射相对于其它方法的主要优点在于其能够以毫米量级的空间分辨力,提供从表层以下100μm到几个厘米甚至十几厘米深度的信息,因此对工程应用来说,它可延伸至结构部件内几个厘米的深处去获取残余应变(应力)。而且,原则上,中子的深穿透本领允许自由地选择材料内部应变的测量方向。这种技术已被证明是产品设计和开发、加工过程优化、失效评估的强有力工具。

　　1　中子衍射应力测量原理与步骤

　　1.1　基本原理

　　对稳态反应堆产生的中子,用单色器选择某一波长λ的中子束,当单能中子束通过多晶材料样品时,对应某一个晶面间距d,在满足布拉格关系(2dsinθ=nλ)的位置会出现衍射峰,如图2所示。

　　中子衍射应力测量首先是测定材料中晶格的应变,然后计算出应力。应变ε与被测材料晶面间距d相对于无应力晶面间距d0的变化有关。对布拉

　　式中E为杨氏模量;ν是泊松比。为了测定应力张量,须在6个方向上完成6次不同的测量。不过在大多数情况下,测量应力方向可以假定与样品主应力方向一致,此时在这些方向上3次测量已足够确定一个完整的应力张量。

　　1.2　测量步骤

　　利用中子衍射测量残余应力时,需要考虑几个因素[8],如测量部件的材料、大小和形状,需要测量的残余应力深度以及预计的应力梯度大小等。

　　为了获得部件沿着某条直线(或横跨某个面积)的应力分布,确定一个合适的、小的取样体积十分必要(如图2所示),使其以合适的、小的步距横穿过部件,可以得到足够的空间分辨力。理想的取样体积应该近似于立方体,此时样品内部同一点在不同方向测量应力时,能够尽可能保证测量区域的同一性,即转换方向后测量区域尽可能与前一个方向上的测量区域重合。这需要样品衍射角2θS尽量接近90°,此时取样体积近似为立方体。应力分布的空间不均匀性要求谱仪有合适的空间分辨力。由于中子衍射测得的是取样体积内的平均应变,对于应力梯度较大的区域,取样体积尽量要小,但测量区域太小则导致衍射强度大大降低,相应测量时间将大大加长,两者需相互协调。

　　初始调整过程需要确定谱仪取样体积中心的位置,这个位置是所有试验测量的参考点,在理想情况下它应该是样品台的旋转中心。样品定位过程的准确程度虽然依赖于测量材料的种类,但通常要求在±0.1 mm以内。在应变梯度很大和近表面测量时,高准确度是很重要的,测量时明确定位不确定度也很重要。