粉體行業在線展覽
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北京泰坤工業設備有限公司
北京
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X射線殘余應力測定儀
一、儀器用途:
本儀器依據中華人民共和國標準 GB7704--2008《X射線應力測定方法》，能夠在短時間內無損地測定材料表面指定點、指定方向的殘余應力（用“ + ”、“ － ”號分別表示拉、壓應力）， 并具備測定主應力大小和方向的功能。在構件承載的情況下測得的是殘余應力與載荷應力之代數和，即實際存在的應力。適用于各種金屬材料經過各種工藝過程（如鑄造、鍛壓、焊接、磨削、車削、噴丸、熱處理及各種表面熱處理）制成的構件。本系統因功能齊全而適于實驗室的試驗研究工作，又因輕便靈活而適于現場測量。
各種機械構件在制造時往往會產生殘余應力。在制造過程中，適當的殘余應力可能成為零件強化的因素，不適當的殘余應力則可能導致變形和開裂等工藝缺陷; 在加工以后，殘余應力將影響構件的靜載強度、疲勞強度、抗應力腐蝕能力及形狀尺寸的穩定性。 一個構件殘余應力狀態如何，是設計者、制造者和使用者共同關心的問題。無損地測定殘余應力是改進強度設計，提高工藝效果，檢驗產品質量和進行設備安全分析的必要手段。
為了說明殘余應力測試技術的應用場合，于此列舉如下事例：
在現代機械工程中，由于焊接技術的進展，使許多巨大金屬機構的制造成為可能，但隨之而來的問題就包括如何測定并進而控制其殘余應力的大小和分布。這是一個**不可掉以輕心的問題，它關系到工程的質量、壽命和安全。實際上，對于諸如球罐、塔器、軋輥、鐵路、橋梁船舶、海上石油平臺、水利水電工程中的大閘門和壓力鋼管等等大型構船舶、海上石油平臺、水利水電工程中的大閘門和壓力鋼管等等大型構件，以及航空、航天、核工業的有關設備，各有關部門都已把測定和控制殘余應力的問題提到重要議事日程上來。
為了消除對構件帶來不良影響的殘余應力，傳統的熱時效方法還在普遍采用，而后來興起的振動時效技術也正逐步形成推廣應用的熱潮。顯然，檢測構件時效前后，特別是振動時效前后各部位殘余應力的變化，對于確定和正確掌握時效工藝是十分必要的。
為了提高某些零件的疲癆強度，材料強度專家們提出采用噴丸、滾壓、表面熱處理以及表面化學熱處理等辦法。就其強化機理而言，這里就包括 一個至關重要的因素──殘余壓應力的作用。因此，無損地測定零件表面殘余應力對于確定和正確掌握強化工藝也是十分必要的。 近年來在軸承、軋輥、齒輪、彈簧等等行業已經把殘余應力和殘余奧氏體含量測定當作必檢項目，用以控制產品質量。
機械設備的失效分析表明，應力腐蝕是導致零部件損傷和斷裂事故的主要原因之一。其中，因焊接或其它工藝產生的殘余拉應力所引起的事故占大多數。因此對于在腐蝕介質中工作的構件，殘余應力是正或是負，以及**值的大小肯定是不容忽視的參數。
許多零件經過淬火、回火、磨削之后發現了裂紋。為了判定裂紋產生的主要原因，就必須分別研究熱處理應力和磨削應力。
為了保證零部件形狀尺寸的準確性和穩定性，也必須重視它的殘余應力現狀和變化趨勢。凡要求精密之處，測定關鍵零部件的殘余應力顯然是非常重要的。
在各種無損測定殘余應力的方法之中，X射線衍射法被公認為*可靠和*實用的。它原理成熟，方法完善，經歷了七十余年的進程，在國內外廣泛應用于機械工程和材料科學，取得了**成果。
X-射線應力測定儀是一種簡化和實用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項重要的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實體工件，而且能夠針對同一點以不同的φ角、Ψ角進行測試，以探測織構的影響，這項功能便具備了重要而獨特的用途。
采用TK-360-A型測角儀可以測定各種實體工件的織構。
二、測量原理: X射線應力測定儀
測量原理基于X射線衍射理論。 當一束具有一定波長λ的X射線照射到多晶體上時，會在一定的角度2θ上接收到反射的X射線強度極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線衍射現象（如左圖所示）。X射線的波長λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從**的布拉格定律：
2d Sinθ＝n λ （n＝1，2，3……）
在已知X射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關系。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會相應改變。因此我們有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發生的變化來求得應力σ。
關于X射線應力測量原理還可以作如下進一步的解釋：
眾所周知，對于晶粒不粗大、無織構的多晶材料來說，在一束X光照射范圍內便有許許多多個晶粒， 其中必有許多晶粒，其指定的（h k l）晶面平行于試樣表面，晶面法線與表面法線夾角ψ為0；也必有許多晶粒，其（h k l）晶面法線與表面法線成任意的ψ。首先，如圖A所示，以試樣表面某點(o點)法線為軸，將一束適當波長的X光和探測器（計數管）對稱地指向該點O，并同步地相向掃描改變入射角和反射角。根據布拉格定律，可以找到平行于試樣表面的（h k l）晶面的衍射峰和對應的衍射角2θ 。這個由X光束和計數管軸線組成的平面稱作掃描平面，衍射晶面的法線必在掃描平面內，并居于X光束和計數管軸線二者角平分線的位置上。讓我們記住，此時掃描平面與試樣表面垂直，衍射晶面與試樣表面平行，ψ＝0（如圖B）。然后，掃描平面以圖A中直線OY為軸轉過一個ψ角（如圖C），同樣也可以得到（h k l）晶面的衍射峰和對應的衍射角2θ ，這時，衍射晶面法線與試樣表面法線夾角為ψ（如圖D)。
圖A 圖 B 圖 C 圖 D
在無應力狀態下，對于同一族晶面（h k l）來說，無論它居何方位，即無論ψ角等于何值，晶面間距d均相等；根據布拉格定律，相應的衍射角2θ也應相等。當有應力存在時，譬如沿圖中OX方向存在拉應力，則平行于表面（即ψ＝0）的（h k l）晶面，其間距d會因泊松比的關系而縮小（見圖B）；隨著ψ角的增大，晶面間距d會因拉應力的作用而增大（見圖D）。于是相應的衍射角2θ也將隨之改變──按照布拉格定律，d 變小，則2θ變大；d 變大，則2θ變小。顯然2θ隨ψ角變化的急緩程度與應力σ大小密切相關。對于各向同性的多晶材料，在平面應力狀況下，依據布拉格定律和彈性理論可以導出，應力值σ正比于2θ隨Sin ψ變化的斜率M，即
σ＝K·M
????2θ
M＝ ——————
??Sin2 ψ
式中K為應力常數，
E π
K = — ————— Ctgθ0 ·————
? 2（1+μ） 180
式中E為楊氏模量，μ為泊松比，θ0為無應力狀態的布拉格角。對于指定材料，K值可以從資料中查出或通過實驗求出。這樣，測定應力的實質問題就變成了選定若干ψ角測定對應的衍射角2θ。 X-350A X射線應力測定儀可以自動完成測量并給出*終結果和某些有價值的物理參數。
X射線應力測定儀
三、儀器結構：
本儀器主機由以下五部分組成：PC微機、主控箱、高壓電源箱、測角儀及臺式支架、PC 微機的*低配置應能支持Windows7/xp。
主控箱內有高壓電源控制系統、接口線路和單片機系統、步進電機驅動器、計數放大器，以及1500V、24V、5V電源。
高壓電源箱輸出15kV～30kV電壓，通過高壓電攬供給測角儀上的 X 射線管。 測角儀是測量執行機構。儀器的核心部件 X 射線管和 X 射線探測器就裝在測角儀上。本儀器的測角儀為θ-θ掃描Ψ測角儀。這是本研究所的**技術。
X 射線管和 X 射線探測器同步等量相背掃描，二者各前進一個 θ，則衍射角改變 2θ，故名θ-θ掃描。在整個掃描過程中，衍射晶面法線保持不動，準確體現固定Ψ法的幾何要求。
將上述θ-θ掃描平面設置在與Ψ平面相垂直的位置上，衍射晶面法線含于θ-θ掃描平面之中，且處在與試樣表面垂直的平面里。這樣，可以直觀地看出，當θ-θ掃描平面沿著Ψ導軌轉動時，該平面與試樣表面之夾角就是Ψ角——衍射晶面與試樣表面法線之夾角。這正是側傾法的幾何布置。所謂Ψ 測角儀，其實質即在于此。
測角儀上采用了圓弧滾動導軌、諧波齒輪等先進機械元件，運動精密而流暢。
臺式支架用于支承測角儀。它包含 X、Y、Z 三個平移機構，均采用直線滾動導軌。底座和加長腳上裝有螺栓支腳。調整螺栓支腳可以保證測角儀的主軸線與測試點法線重合。調整 Z 向平移機構可以校準測角儀至測試點的距離。調整 X、Y 平移機構則是為了對準選定的測試點，便于連續測定應力在工件表面各點的分布。螺栓支腳下端的球頭用于連接電控永磁吸盤。立柱可以旋轉360°，在采用了吸盤之后，旋轉立柱可以擴大測試范圍。
殘余應力測定儀
四、功能特點：
X射線應力測定方法分為同傾法和側傾法， 側傾法比同傾法具有無可比擬的優越性；從另一角度分類又分為固定ψ0法和固定ψ法，后者又因原理準確實用效果好而優于前者。更具魅力的是將此二優結合起來，即在側傾的條件下實施固定ψ法便會產生喜人的新特點──吸收因子恒等于1。這就是說，不論衍射峰是否漫散，它的背底都不會傾斜，峰形基本對稱，而且在無織構的情況下峰形及強度不隨ψ角的改變而變化（如圖所示）。顯然這個特點對提高測量精度是十分有利的。所以行家們的共識：側傾固定ψ法是*理想的測量方法 。然而，除了國產X-350A型以外，迄今國內外尚無以側傾固定ψ法為主的應力測定儀。在X射線應力測定領域里普遍采用的都是同傾固定ψ 0法。對于使用多功能儀器者來說，雖然在必要時可以實現固定ψ法和側傾法，但是由于儀器機構和功能的限制，總會伴隨諸多困難和麻煩，更難應用于現場測量。新型 X-350A X射線應力測定儀當年便是在這種情況下應運而生的。本儀器以其**性和先進性獲得國家**(ZL **號：98244375.7)。我公司具有θ-θ掃描Ψ測角儀的完全獨立的知識產權。其功能特點如下：
１、本儀器的測角儀以其獨特的構思和巧妙的設計，使得在2θ平面上的X光管和探測器同時等速相對而行，嚴格滿足固定ψ法的幾何要素；另外，又使2θ平面與ψ平面相互獨立。這樣便保證了本系統以側傾固定ψ法為主，實現理想的測量方法；同時保持結構簡潔靈活輕便的特點。2θ掃描范圍：120°～170°，在側傾法的條件下，測定應力既可利用高衍射角又可利用較低衍射角.這樣，除適用于鐵素體型鋼和鑄鐵材料之外，還為奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金以及高溫合金、硬質合金等材料的應力測定帶來方便并可提高測量精度。側傾固定Ψ法另一特點是對于各種形狀的零部件有更好的適應性，特別是對于齒輪的齒根部位。
２、本儀器θ-θ掃描Ψ測角儀的衍射幾何 為聚焦法。如圖所示。在 X 射線管和 X 射線探測器以θ-θ方式沿測角儀圓掃描過程中，X 光源點、試樣上被照射點和探測器接受點，三者隨時同處在一個聚焦圓上，當然，隨著掃描過程，聚焦圓的大小是逐步變化的。
３、測定殘余奧氏體含量更為便當。本儀器2θ掃描范圍120°～170°， 一次掃描可以得到αFe(211) 、γFe(220)兩個完整的衍射峰，無需另外安裝延長掃描范圍的附件，測試更加方便、快捷、準確。而且可以針對同一測試點取不同的Φ角、角進行測定，以便探測織構的影響。必要時，可以做到殘奧含量和殘余應力同時測定，亦即一次測量得到殘奧含量和殘余應力兩項數據。這些都是本儀器獨有的功能，對于各種實體工件具有極其可貴的實用價值。
４、支架與測角儀之間可以裝備針對同一測試點轉Φ角的連接機構，這樣即可測定主應力的大小及其方向，測定剪切應力。
５、應用PC微電腦，Windows 環境操作，界面友好，使用方便。提供側傾、同傾固定ψ法、擺動法應力測定以主應力計算、殘奧測定等專用軟件，豐富而實用。自動生成專業而翔實的實驗報告；根據用戶要求，還可以生成英文版實驗報告。
６、引入交相關法進行數據處理，顯著提高定峰和應力測量精度。
７、為X光管配置高壓開關電源，**功率30KV×10mA，穩定度優于0.1% 。
８、采用微型激光器校準測試點的位置與方向。
應力測定儀
五、主要技術參數:
★測量方法：側傾固定ψ法，擺動法，殘奧測定，織構測定。
定峰方法：交相關法，半高寬法，拋物線法，重心法。
儀器精度：采用還原鐵粉作為標準試樣。 使用Cr靶Kα輻射，鐵粉（211）晶面，衍射角2θ測定誤差在±0.015°以內；鐵粉應力測量值應穩定達到在±10MPa以內。
★測角儀型式：θ-θ掃描ψ測角儀
★２θ掃描范圍：120°～170°；
２θ掃描*小步距：0.01°
２θ掃描每步計數時間：0.1S～20S
ψ角范圍：0°～ 65°
ψ角擺動角度：0°～±6°
X射線管電壓：15～30kV，連續可調
X射線管電流：3～10mA，連續可調
X射線管靶材：Cr， Co， Cu， 其中Cr靶為常備，其余供選購。
衍射幾何：聚焦法
準直管直徑：提供產生直徑分別為?1、? 1.5、? 3、? 4.5、? 6mm X光斑的準直管。
測角儀重量：10 kg
*簡裝置總重量：45 kg
供電要求：AC 220V±10%，1000W，50Hz
應力測定儀
