一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法

摘要

一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，涉及一种无损检测方法。钢铁、铜、铝等板带材在加工完成后，表面会产生较大的残余应力。由于织构的存在，导致经典的应力分析中间失去线性关系，使采用X射线测应力法的工作变得十分困难。本发明针对含强织构的板带材工件，首先测试工件的织构类型和体积百分比，然后测量对应取向下的杨氏模量和晶格畸变，再利用dψ‑sin2ψ在强取向处可保持较窄的线性关系(如图1所示)，反推具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变，最终计算获得具有强织构板带材的残余应力。本发明为具有强织构的板带材，提供了一种简便利用X射线测残余应力的方法。

权利要求

1.一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)首先利用X射线测定工件的织构类型和体积百分比含量，绘制(hkl)晶面的织构极图；

2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(hkl)，要与(hkl)晶面织构极图相对应；

2

3)在(hkl)晶面极图，某强织构取向所对应的 角方向上，测出dψ‑sinψ关系曲线，根据其较窄的线性关系，计算对应织构取向所对应 角的点阵畸变常数，并测量对应织构取向下的杨氏模量；

4)定义并计算具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；

5)则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率

6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈 角的残余应力

7)最终得出工件表面的残余应力；

步骤4)所述杨氏模量和点阵畸变常数计算公式为:i

其中，δ是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构的杨0

氏模量或点阵畸变常数；当i＝0时，δ表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变；为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变；

步骤5)所述具有加权意义的斜率 为：其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在晶向上的斜率 和点阵畸变，晶向表示为与RD(轧向)方向呈 角上的织构取向，为具有加权意义的点阵畸变；

步骤6)所述残余应力 计算公式为：其中， 为具有加权意义的杨氏模量，v为工件材料的泊松比，d0为无应力状态下工件材料的晶面间距。

2.根据权利要求1所述的一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在于，为了使窄的线性区域有足够多的数据点，Ψ角的间隔选择要求足够小，1°或2°的正整数。

说明书

一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用X射线衍射测量含织构材料残余应力的方法，适用于存在强织构的板带材工件，属于无损检测技术领域。

背景技术

[0002] 金属板带材(钢铁、铜、铝和镁合金等)在经过锻造、冲压、轧制和焊接等加工后，由于不均匀的塑性变形、加热温度不均匀及不同相之间热膨胀量存在差异等原因，造成成品
工件中存在较大的残余应力。使其在后续的机械加工过程难度增大或工件报废。另外，由于
残余应力的存在，也大大缩短工件的使用寿命，增加了重大工程项目危险系数。消除工件残
余应力的工作变得越发急迫和重要。要想消除残余应力的影响，首先要对于工件的应力进
行精准、快速测量。目前，材料或工件的残余应力检测理论、工艺和技术手段等工作，发展还
不够完善，急需新的理论和方法进行补充扩展。

[0003] 目前，残余应力检测运用最重要及广泛的一种方法为无损检测。在工件的应力无损检测技术中，最普遍使用的是X射线衍射法。但目前通常的X射线衍射法只能无损测量无
织构或弱织构的工件，存在强织构材料只能在实验室里通过全谱图进行复杂的计算。

[0004] 发明专利CN105021331A介绍了一种基于X射线衍射全谱的残余应力测试方法，此方法较为精确；但该方法只推导了各向同性(无织构)材料的计算公式，且计算方法过于复
杂。发明专利CN104502385A介绍了一种短波长X射线衍射的应力无损检测方法，该方法既可
以测得材料表面的残余应力，也可以测得材料内部的残余应力；但该方法只适合织构不强
的多晶体板状材料。上海交通大学的刘毓舒在《织构材料残余应力的ODF分析》一文中，基于
织构ODF分析法，综述了一种适于含织构材料应力分析的数学方法；但这种ODF分析法太过
繁琐，只适合实验室条件下测量，大大限制了它的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是通过分析织构对应力影响的特征，提供一种利用X射线测量含强织构材料残余应力的方法，该方法可以简便的测出强织构材料的残余应力。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，其特征在基于织构取向对应力的影响规律，操作和分析步骤如下：

[0008] 1)首先利用X射线测定工件的织构类型和体积百分比含量，绘制(hkl)晶面的织构极图，比如(311)晶面织构极图；

[0009] 2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(hkl)，要与(hkl)晶面织构极图相对应，即如果工件选择(311)晶面织构极图进行分析，那么测应力的衍射晶面同样也要为(311)晶面；

[0010] 3)在(hkl)晶面极图，某强织构取向所对应的 角方向上，测出dψ‑sin2ψ关系曲线，根据其较窄的线性关系，计算对应织构取向所对应 角的点阵畸变常数d，并测量其对应织
构取向下的杨氏模量E；

[0011] 4)进一步定义并计算具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；

[0012]

[0013] 其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构0
的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0
表示样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。为具有加权意义的杨氏模量或
点阵畸变。

[0014] 5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率 为：

[0015]

[0016] 其中,Ku′vw和εuvw分别表示样品在晶向上的斜率 和点阵畸变，晶向表示为与RD(轧向)方向呈 角上的织构取向，为具有加权意义的点阵畸变。

[0017] 6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈 角的残余应力 计算公式：

[0018]

[0019] 其中，为具有加权意义的杨氏模量，v为工件材料的泊松比，d0为无应力状态下工件材料的晶面间距。

[0020] 7)最终计算工件表面的二维残余应力值。

[0021] 进一步的，其特征在于，为了减小实验误差，使窄的线性区域有足够多的数据点，倾斜角(Ψ)的间隔选择要求足够小，取1°或2°的正整数。

[0022] 本发明原理是基于织构和衍射强度及残余应力间的关系特征，通过织构对衍射强度的影响，剥离出强织构材料(多晶金属钢铁、铜、铝、镁、钛等合金的板材、带材和棒材)中
2
dψ‑sinψ的线性区域，再通过定义加权杨氏模量和加权晶格畸变的方式，推导出具有加权意
义的斜率 最终求出具有加权意义的残余应力。

[0023] 本发明为存在强织构材料的残余应力测量，提供一种简便的测量和计算理论，使强织构材料的残余应力能在工业上得到快速、简便操作测量成为可能。该方法免除了费工
费时的无应力标样的制备，避免了复杂的多晶织构全谱图的计算过程，提高了效率和降低
了误差，方便于高校、研究院和企业使用。另外，多晶织构材料工件的残余应力得到准确快
捷的测量，可为重大工程应用中残余应力的控制和消除提供了帮助，提高工件的使用寿命。

附图说明

[0024] 图1为含强织构材料的dψ‑sin2ψ线性关系图。

[0025] 图2为工件中残余应力的测量示意图。

[0026] 图3为铜合金强织构材料的(311)晶面极图。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

[0028] 实施例1

[0029] 所测试样为经过冷轧大变形后含强织构的铜合金带材，其长度为100mm，其宽度为60mm，其厚度为0.5mm，工件表面预制了压应力场以提高耐疲劳性能。测试步骤与方法如下：

[0030] 1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有B{011}<211>、C{211}<111>和R{124}<211>，其体积含量分别占有42.6％、32.1％和13.8％，绘制出了(311)晶面极图(图
3)；

[0031] 2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(311)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°‑90°范围内，间隔取1°；
2

[0032] 3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈39°方向 测得dψ‑sinψ的关系曲线，ψ为42°上存在C{211}<111>织构，在ψ＝42°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中C{211}<
‑3
111>织构的点阵畸变常数d＝1.644×10 ，杨氏模量E＝165GPa；

[0033] 4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；

[0034]

[0035] 其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构0
的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示
样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。 为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸
变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为 和

[0036] 5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率 为：

[0037]

[0038] 其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在晶向上的斜率 和点阵畸变，晶向表示为与RD(轧向)方向呈 角上的织构取向；其中，为<111>晶向， 斜率

[0039] 6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈39角的残余应力 计算公式：

[0040]

[0041] 测得

[0042] 实施例2

[0043] 所测试样为含强织构的铝合金带材，其长度为2000mm，其宽度为600mm，其厚度为2.00mm，工件经过弯曲成型处理，存在较大的残余应力。测试步骤与方法如下：

[0044] 1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有旋转立方{011}<211>和{112}<110>，其体积含量分别占有50.2％和27.6.1％，绘制出了(311)晶面极图；

[0045] 2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(311)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°‑90°范围内，间隔取1°；

[0046] 3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈35°方向 测得dψ‑sin2ψ的关系曲线，ψ为65°上存在{011}<211>织构，在ψ＝42°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中{011}<211
‑3
>织构的点阵畸变常数d＝1.734×10 ，杨氏模量E＝168GPa；

[0047] 4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；

[0048]

[0049] 其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构0
的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示
样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸
变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为 和

[0050] 5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率 为：

[0051]

[0052] 其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在晶向上的斜率 和点阵畸变，晶向表示为与RD(轧向)方向呈 角上的织构取向；其中，为<211>晶向， 斜率

[0053] 6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈35°角的残余应力计算公式：

[0054]

[0055] 测得

[0056] 实施例3

[0057] 所测试样为含强织构的不锈钢汽车板，其长度为1500mm，其宽度为500mm，其厚度为0.80mm，工件经过拉拔弯曲成型处理，存在较大的残余应力。测试步骤与方法如下：

[0058] 1)首先利用X射线测定工件的织构类型主要有R{124}<211>和C{112}<111>，其体积含量分别占有46.2％和23.6.1％，绘制出了(111)晶面极图；

[0059] 2)测应力时，选择测试的衍射晶面为(111)，并且倾斜角(Ψ)选择：在Ψ＝0°‑90°范围内，间隔取1°；
2

[0060] 3)如图3所示，在(311)晶面极图上，与RD呈53°方向 测得dψ‑sinψ的关系曲线，ψ为51°上存在{011}<211>织构，在ψ＝51°附近曲线呈线性，测量并计算出样品中R{124}<
‑3
211>织构的点阵畸变常数d＝1.889×10 ，杨氏模量E＝234GPa；

[0061] 4)进一步计算出具有加权意义的杨氏模量和点阵畸变常数；

[0062]

[0063] 其中，δi是样品中对应某一特定i织构的体积分数，χi是样品中对应某一特定i织构0
的杨氏模量或点阵畸变常数。当i＝0时，δ表示样品中无明显取向部分的晶体体积分数，χ0表示
样品中无明显取向部分的晶体杨氏模量或点阵畸变。 为具有加权意义的杨氏模量或点阵畸
变；其中，样品具有加权意义的杨氏模量或点阵畸变分别为 和

[0064] 5)再则根据胡克定律，定义具有加权意义的斜率 为：

[0065]

[0066] 其中,K′uvw和εuvw分别表示样品在晶向上的斜率 和点阵畸变，晶向表示为与RD(轧向)方向呈 角上的织构取向；其中，为<211>晶向， 斜率

[0067] 6)进一步定义出具有加权平均意义，并与RD(轧向)方向呈53°角的残余应力计算公式：

[0068]

[0069] 测得