中子衍射

中子衍射 (ND) 技术通过检测入射中子束的衍射来测量材料深处的残余应力。

与其他衍射技术（即实验室 X 射线和同步加速器衍射）一样，中子衍射束根据布拉格定律表现，从而能够检测由于应力引起的原子晶格间距变化。然后使用无应力材料样本（即d 0样本）校准间距的相对变化，以计算绝对应力值。与 X 射线相比，使用中子的优势在于它们更深入地穿透工程材料（即同步加速器 X 射线的厘米而不是毫米或实验室 X 射线的微米）。

中子衍射技术主要有两种类型，单色 2θ 应变扫描和飞行时间；使用哪种类型取决于衍射仪器的中子源。

单色 2θ 应变扫描：

这种技术通常在反应堆源中发现并且基于单色（即单波长）中子束。它测量由于残余应力引起的与特定晶格间距d相关的单个衍射峰的峰值衍射角2θ的变化。

示意图显示了角度 2θ 变化的入射和衍射中子束

对恒定波长 λ的布拉格定律 (nλ=2d hkl sinθ) 进行微分，得出：

其中Δθ是峰值位移，Δd是晶格间距的变化，d 0是无应力样品的晶格间距，2θ 0是无应力样品衍射峰的相应角位置。

hkl平面组中的应变可以计算为：

飞行时间：

散裂源在时间t 0以脉冲的形式产生不同波长/能量的中子束。中子束具有不同的速度，高能中子行进速度最快，因此可以通过它们在探测器处的飞行时间（或到达时间）来区分。由于存在所有波长，因此与同步加速器衍射不同，检测器可以放置在 90° 以确保立方体量规体积。通过以恒定布拉格角θ监测入射/衍射波长，可以确定晶格间距。对常数θ微分布拉格定律：

其中 Δ λ是波长的变化，λ 0是对应于无应力样品的波长。应变可以计算为：

可以从每个测量点获得完整或部分衍射光谱。然后使用多峰拟合（例如 Pawley 或 Rietveld 改进）分析衍射轮廓，以提供受应力和无应力材料的晶格参数α和α 0 。

典型的飞行时间衍射光谱（使用 Pawley 拟合）。

根据使用任何一种 ND 技术测量的应变，胡克定律可以（在某些假设下）用于计算应力分量，使用多次反射的体弹性常数，例如：

使用任一类型的 ND 技术，通过使用狭缝或径向准直器限制检测器的照射区域和视场，仅从样品深处的小量规体积（例如 1-10mm 3 ）获得衍射强度是可能的。

单轴或双轴残余应力是通过 ND 技术作为标准测量的，但通过旋转组件三轴（即 σ xx、σ yy和 σ zz）残余应力也可以测量，标称精度为 ±钢中 30MPa。

中子衍射技术的优点：

• “非破坏性”技术（尽管可能需要提取d 0个样本或切割光束接入窗口）；
• 良好的穿透深度——钢高达 60 毫米，铝高达 100 毫米（总光束路径长度）；
• 三轴残余应力测量（即 σ xx、 σ yy和 σ zz），包括应力梯度；
• 精确测量高强度残余应力；
• 可以测量复杂的形状，但可能需要切割光束接入窗口；
• 对表面光洁度无动于衷；
• 公称精度：10MPa——铝，30MPa——钢，15MPa——钛；
• 测量宏观和微观残余应力。

中子衍射技术的缺点：

• 在专业设施进行基于实验室的测量；
• 仅适用于结晶材料；
• 精度受晶粒尺寸和织构严重影响；
• 样本尺寸受限（体积和重量）；
• 不适合表面测量；
• 除非以商业方式支付光束时间，否则测量前的交货时间很长。

参考资料和延伸阅读：

1. Noyan, IC 和 Cohen, JB，“通过衍射和解释测量残余应力”，Springer-Verlag，纽约公司，1987 年。
2. Fitzpatrick, ME 和 Lodini, A.，“使用中子和同步加速器辐射通过衍射分析残余应力”，Taylor 和 Francis，伦敦，2003 年。
3. Pawley, GS，“粉末衍射扫描的晶胞细化”，J. Applied Crystallography，14，357-361，1981。
4. Daymond, MR, Bourke, MAM 和 Von Dreele, RB，“在存在弹性和塑性各向异性的情况下使用 Rietveld 细化来拟合六方晶体结构”，J. Applied Physics，85 (2)，第 739 页–747，1999。
5. ISO/TS 21432:2005，“无损检测——通过中子衍射测定残余应力的标准试验方法”，2005。