微區(qū)殘余應(yīng)力的毛細(xì)管X射線透鏡檢測方法

郭 非，安 寧，吳思宇，周 鵬，劉 芯，李玉德

(1.中國石油物資公司，北京 100029；2.北京市輻射中心，北京 100875)

微區(qū)殘余應(yīng)力的毛細(xì)管X射線透鏡檢測方法

郭 非，安 寧，吳思宇，周 鵬，劉 芯，李玉德

(1.中國石油物資公司，北京 100029；2.北京市輻射中心，北京 100875)

針對現(xiàn)有小功率殘余應(yīng)力儀在進(jìn)行微區(qū)應(yīng)力檢測時，存在衍射強(qiáng)度低導(dǎo)致測試準(zhǔn)確度低、穩(wěn)定性差等問題，闡述了一種毛細(xì)管X射線透鏡結(jié)合應(yīng)力儀實(shí)現(xiàn)微區(qū)應(yīng)力檢測的方法。采用基于全反射原理的透鏡，通過對X射線的調(diào)控，形成微區(qū)照射面積，將相同照射面積下的光強(qiáng)度提高數(shù)十倍，且在衍射半高寬適度增大的情況下，對檢測出的應(yīng)力值影響不大。

毛細(xì)管X射線透鏡；殘余應(yīng)力；微區(qū)

材料自身殘余應(yīng)力的研究與測試作為材料科學(xué)和力學(xué)研究方向的一個重要領(lǐng)域[1]，有著顯要的地位。特別是近年來，要求研究和發(fā)展新的定量分析殘余應(yīng)力大小和分布的測試技術(shù)與手段，以解決各種現(xiàn)有殘余應(yīng)力測試方法的弊端，這對殘余應(yīng)力的分析測試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。同時，材料微觀區(qū)域(以下簡稱微區(qū))的應(yīng)力狀態(tài)可能對材料的宏觀特性起著決定性作用[2]。因此，有效準(zhǔn)確地測定微區(qū)應(yīng)力顯得非常重要。筆者針對現(xiàn)有小功率殘余應(yīng)力儀在進(jìn)行微區(qū)應(yīng)力檢測時，存在衍射強(qiáng)度低導(dǎo)致測試準(zhǔn)確度低、穩(wěn)定性差的問題，闡述了一種毛細(xì)管X射線透鏡結(jié)合應(yīng)力儀實(shí)現(xiàn)微區(qū)應(yīng)力檢測的方法，該方法可用于檢測細(xì)小焊縫、細(xì)線徑彈簧、小尺寸鋼珠等的微區(qū)應(yīng)力。

1 殘余應(yīng)力檢測方法

目前，殘余應(yīng)力檢測方法多種多樣，根據(jù)其對被測樣品是否具有破壞性來分類，主要分為有損法和無損法兩類。有損法是利用機(jī)械加工等手段分離小部分或全部被測樣品，使被測樣品的殘余應(yīng)力得到部分或者完全釋放，再通過電阻應(yīng)變計測出殘余應(yīng)力，主要包括：盲孔法、取條法、環(huán)芯法等[3]。無損法是指不破壞樣品表面，利用材料中殘余應(yīng)力狀態(tài)引起的某種物理效應(yīng)，建立起某一物理量與殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，從而推算出殘余應(yīng)力[4]。無損法按其使用檢測手段的不同來分類，主要分為X射線衍射法、超聲法、中子衍射法和磁性法等。其中，由于X射線衍射法具有可靠性高、理論成熟等特點(diǎn)，成為科研單位及工廠企業(yè)的常規(guī)應(yīng)力檢測手段。

2 微區(qū)殘余應(yīng)力檢測的應(yīng)用困難

近年來，諸如鈦合金、鋁鋰合金等廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中，其焊接殘余應(yīng)力的精確測定成為了工程界公認(rèn)的難題。其原因是雖然激光焊、真空電子束焊等新型焊接工藝和檢測對象不同，但這兩種焊接方式有共同的特點(diǎn)，即合金焊縫窄、應(yīng)力分布梯度大。因此，為了掌握窄焊縫、高應(yīng)力梯度的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，必須將測試面積限制在極小的范圍內(nèi)。圓孔光闌的常規(guī)殘余應(yīng)力儀無法對衍射能力極低的鈦合金等輕質(zhì)合金進(jìn)行檢測。

彈簧是工程機(jī)械行業(yè)的關(guān)鍵零件，目前，無論是在產(chǎn)量還是生產(chǎn)規(guī)模方面都有了較為明顯地提升。但與此同時，彈簧服役條件也隨現(xiàn)代機(jī)械領(lǐng)域的不斷發(fā)展而變得日漸苛刻。彈簧的殘余應(yīng)力檢測是確保彈簧品質(zhì)的重要質(zhì)檢過程，目前X射線衍射技術(shù)是測定彈簧殘余應(yīng)力及分布的唯一方法，但該方法在測定細(xì)線徑圓柱螺旋彈簧的殘余應(yīng)力時會遇到困難。原因是彎曲表面會產(chǎn)生X射線照射區(qū)域的曲面衍射效應(yīng)及照射點(diǎn)的位置偏移。這些情況常常會導(dǎo)致錯誤的檢測結(jié)果，因此歐美應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定X射線照射面積應(yīng)該小于被分析表面被測應(yīng)力方向曲率半徑的0.4倍[5]，可忽略曲面衍射效應(yīng)的不利影響，確保應(yīng)力測定結(jié)果的可靠性。同樣，應(yīng)用于精密儀器儀表、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的小鋼珠的殘余應(yīng)力檢測也始終存在此類問題。

由此來看，微區(qū)殘余應(yīng)力的測定難題可歸納為兩方面：一是當(dāng)照射區(qū)域縮小至微區(qū)時，對于衍射峰低的材料可能難以得到衍射峰，甚至根本無法檢測；二是由彎曲表面引起的曲面衍射效應(yīng)會給小尺寸微曲面及曲面材料的檢測準(zhǔn)確性帶來影響。

目前國內(nèi)外X射線應(yīng)力儀均采用圓孔光闌限束法實(shí)現(xiàn)微區(qū)測試，該方法稱為光闌微區(qū)產(chǎn)生方法。小功率應(yīng)力儀在微區(qū)測試時會因X射線照射面積過小導(dǎo)致強(qiáng)度太低，致使測試工作因測量精度太差、效率過低而失去意義。嚴(yán)重的則難以獲得衍射峰，導(dǎo)致無法檢測。特別是當(dāng)利用平行光束法來測量衍射線十分散漫的材料時，衍射強(qiáng)度將成為能否測定和影響測試精度的主要因素[6]。國外進(jìn)口大功率應(yīng)力儀雖然能在一定程度上彌補(bǔ)此類問題，但由于其具有價格昂貴、高能耗且無法方便用于現(xiàn)場檢測作業(yè)等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍十分有限。

3 毛細(xì)管X射線透鏡微區(qū)殘余應(yīng)力檢測方法的原理

毛細(xì)管X射線透鏡由多根內(nèi)表面非常光滑的空心玻璃管構(gòu)成，屬于毛細(xì)管光學(xué)元件的一種[7]。其利用X射線全反射原理可以實(shí)現(xiàn)X射線在毛細(xì)管內(nèi)部的高效傳輸，從而達(dá)到對X射線進(jìn)行調(diào)控的目的，已成功應(yīng)用于X射線熒光成像、X射線共聚焦技術(shù)、同步輻射技術(shù)等多個熱門領(lǐng)域[8-10]。

根據(jù)作用不同，目前可將毛細(xì)管X射線透鏡分為4大類，即會聚透鏡、平行束透鏡、半會聚透鏡和微會聚透鏡[11]。對于基于衍射法的微區(qū)殘余應(yīng)力測定來說，較好的平行度是確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的必備條件之一。因此，選用微會聚透鏡進(jìn)行研究，該透鏡的特點(diǎn)是既可用來獲得小焦斑，又可保持相對較小的發(fā)散度。微會聚毛細(xì)管X射線透鏡原理如圖1所示。

圖1 微會聚毛細(xì)管X射線透鏡原理示意

在殘余應(yīng)力檢測中，用毛細(xì)管X射線透鏡代替常規(guī)應(yīng)力儀的圓孔光闌進(jìn)行限束，形成微區(qū)照射面積,該方法稱為毛細(xì)管透鏡微區(qū)產(chǎn)生方法。其與光闌微區(qū)產(chǎn)生方法的差異主要為自光路差異和光斑特征差異。就光路來說，前者是通過調(diào)整毛細(xì)管X射線透鏡的外形曲線、子導(dǎo)管直徑等條件，使之盡可能大范圍地接收由光源發(fā)出的X射線，而X射線會在子導(dǎo)管內(nèi)部進(jìn)行數(shù)次全反射，最終會聚在透鏡的后焦距位置處，形成微區(qū)照射面積。就光斑特征來說，毛細(xì)管X射線透鏡的光強(qiáng)分布呈高斯分布形式，其不同于光闌微區(qū)產(chǎn)生方法，是毛細(xì)管透鏡微區(qū)產(chǎn)生方法的最本質(zhì)特征。

圖2為北京師范大學(xué)X射線實(shí)驗(yàn)室與邯鄲愛斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司研制的基于毛細(xì)管X射線透鏡的殘余應(yīng)力儀樣機(jī)外觀及其原理，其照射在樣品上的光斑尺寸(FWHM直徑)約0.38 mm，光斑全寬約0.9 mm，照射在樣品的光斑面積約為0.113 mm2，光斑面積約為0.636 mm2，水平發(fā)散度為0.03 rad。

圖2 基于毛細(xì)管X射線透鏡的殘余應(yīng)力儀樣機(jī)外觀及其原理示意

4 毛細(xì)管X射線透鏡與光闌微區(qū)產(chǎn)生方法檢測結(jié)果

為了檢驗(yàn)毛細(xì)管X射線透鏡較圓孔光闌在微區(qū)殘余應(yīng)力測定的優(yōu)勢，使用基于毛細(xì)管X射線透鏡的殘余應(yīng)力儀樣機(jī)與常規(guī)殘余應(yīng)力儀，分別重復(fù)檢測上海交通大學(xué)殘余應(yīng)力分析與噴丸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室提供的-(557±35) MPa殘余應(yīng)力標(biāo)樣，并將所測得的衍射峰高及衍射強(qiáng)度進(jìn)行照射面積歸一化比較，即衍射峰高及衍射強(qiáng)度除以各自照射在樣品的整個光斑面積。

傳統(tǒng)殘余應(yīng)力儀使用直徑φ1 mm的圓孔光闌，經(jīng)光路幾何關(guān)系計算，該光闌垂直照射在樣品的光斑面積是1.775 mm2。兩種方法采用相同試驗(yàn)參數(shù)各重復(fù)檢測10次。主要參數(shù)為：電壓28 kV，電流8 mA，計數(shù)時間1 s，2θ(θ為衍射角)掃描步距為0.1°，2θ掃描范圍148°～163°，掃描ψ045°和ψ00°的衍射峰。圖3為相同條件下常規(guī)應(yīng)力儀和基于透鏡的應(yīng)力儀對-(557±35)MPa應(yīng)力標(biāo)樣檢測結(jié)果。采用兩種方法檢測該應(yīng)力標(biāo)樣的結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 相同條件下常規(guī)應(yīng)力儀和基于透鏡的應(yīng)力儀對-(557±35) MPa應(yīng)力標(biāo)樣的檢測結(jié)果

表1 φ1 mm圓孔光闌檢測-(557±35) MPa應(yīng)力標(biāo)樣的檢測結(jié)果

由表可知，對比基于直徑φ1 mm圓孔光闌的應(yīng)力儀，基于透鏡的應(yīng)力儀在ψ045°和ψ00°方向半高寬平均增大1.32倍和1.44倍的情況下，應(yīng)力值的準(zhǔn)確性并未受影響。究其原因，雖然衍射峰半高寬增大是導(dǎo)致隨機(jī)誤差產(chǎn)生的主要因素之一，但對隨機(jī)誤差影響更為敏感的因素則是衍射峰強(qiáng)度。當(dāng)衍射強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，半高寬適當(dāng)增大，對測量誤差并無顯著影響[12]。通過該表還可發(fā)現(xiàn)，基于透鏡的應(yīng)力儀的衍射峰高度和衍射峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于基于光闌的應(yīng)力儀。經(jīng)過樣品照射面積的歸一化后得知，毛細(xì)管微區(qū)產(chǎn)生方法在ψ00°方向的衍射峰高是光闌微區(qū)產(chǎn)生方法的13.43倍，衍射強(qiáng)度為光闌微區(qū)產(chǎn)生方法的18.37倍。

表2 毛細(xì)管透鏡檢測-(557±35) MPa應(yīng)力標(biāo)樣的檢測結(jié)果

5 結(jié)語

闡述了一種毛細(xì)管X射線透鏡結(jié)合應(yīng)力儀實(shí)現(xiàn)微區(qū)應(yīng)力檢測的方法，稱為毛細(xì)管微區(qū)產(chǎn)生方法。其采用基于全反射原理的透鏡，通過實(shí)現(xiàn)對X射線的調(diào)控，形成微區(qū)照射面積，可將相同照射面積下的光強(qiáng)提高數(shù)十倍，且在衍射峰半高寬適度增大的情況下，對應(yīng)力值測試準(zhǔn)確性的影響不大。毛細(xì)管微區(qū)產(chǎn)生方法應(yīng)用在小功率的殘余應(yīng)力儀上有著充分的優(yōu)勢，同時對于細(xì)小焊縫、細(xì)線徑彈簧、小尺寸鋼珠等的微區(qū)應(yīng)力測量也有著廣泛的應(yīng)用前景。

致謝

感謝邯鄲愛斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司提供的試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)支持，并感謝愛斯特公司董事長兼總經(jīng)理呂克茂先生的寶貴建議及參考意見。

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The Method of Capillary X-ray Lens Measurement of Micro-area Residual Stress

GUO Fei, AN Ning, WU Siyu, ZHOU Peng, LIU Xin, LI Yude

(1.China Petroleum Materials Corporation, Beijing 100029，China；2.Beijing Radiation Center, Beijing 100875，China)

The low-power residual stress measurement systems have disadvantage of poor accuracy and low stability due to weak detectable diffraction intensity. In this paper, a capillary X-ray optics has been applied in residual stress measurement systems for micro-area measurement. Through the regulation of X-ray and the formation of micro irradiation area, the area under the same irradiation intensity increase several times, and the FWHM of diffraction moderate increases, the stress value has little effect on accuracy.

capillary X-ray lens；residual stress；micro-area

2016-12-06

郭 非(1990-)，男，碩士研究生，主要從事無損檢測、應(yīng)力分析、毛細(xì)管光學(xué)透鏡研制等工作

郭 非，guofei2004@sina.com

10.11973/wsjc201707015

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0065-04