X射线衍射

X 射线衍射 (XRD) 技术是应用最广泛的非破坏性技术，专门用于测量表面残余应力。

XRD 技术使用基于实验室的或便携式设备，通过测量材料的原子间距来测量深度达 30μm 的表面残余应力。

实验室 X 射线的波长约为几埃 (Å)，与多晶固体中典型的原子间/平面间距离相同数量级。从多晶固体散射的 X 射线可以相长干涉产生衍射光束。测量出现最大衍射强度的角度。从这些角度，可以使用布拉格定律获得衍射平面的平面间距 d。如果样品内存在残余应力，则 d 间距将不同于无应力样品的间距（即 d 0）。该差异与存在的残余应力的大小成正比。因此，原则上，我们使用晶粒作为残余（或施加）应力的内部应变仪。

X 射线原理

由于实验室 XRD 技术的低穿透深度，测量仅限于材料表面，但受益于差分分析技术的使用，因此不需要无应力参考 (即 d 0 ) 样品。对于最常用的 sin 2 ψ 技术，可以确定样品表面的多个倾斜角 ψ 的衍射角 2θ 以及晶格间距 d，从而提供相关的应力测量。

布拉格定律

已经开发出一种新的便携式 XRD 机器，它可以检测衍射 X 射线的完整德拜环，而无需样品表面的多次倾斜。完整的德拜环提供了有关样品中纹理的大量信息，并使用 cos α 技术进行分析，以提供晶格间距 d，从而提供残余应力。

双轴残余应力（即 σ xx和 σ yy）是使用 XRD 测量的，在钢中标称精度为 ±20MPa。该技术的准确性在很大程度上取决于良好的表面处理和晶粒尺寸/纹理。尽管被归类为表面测量技术，但在结合层去除时可以在高达 1mm 的深度进行测量。

喷丸残余应力

X 射线衍射技术的优点：

• 无损技术；
• 实验室或“现场”测量；
• 双轴（即σ xx和σ yy）残余应力测量；
• 体积小，非常适合测量表面应力梯度；
• 精确测量高强度残余应力；
• 如果测量头的旋转不受限制，则可以测量复杂的形状；
• 公称精度：7MPa——铝，20MPa——钢，10MPa——钛；
• 该过程非常快速且易于应用，因此价格便宜；
• 测量宏观和微观应力；
• 货源充足。

X射线衍射技术的缺点：

• 标准测量深度仅为 10-20μm，但结合电抛光表面去除深度可达 1-1.5mm；
• 仅适用于多晶材料；
• 精度受晶粒尺寸和织构严重影响；
• 良好的组件表面光洁度是必不可少的，因此可能需要精心准备。

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, Fry, AT, Holdway, P., Kandil, FA, Shackleton, J. 和 Suominen, L.，“通过 X 射线衍射测定残余应力”，《测量良好实践指南》第 52 号，（问题2)，NPL，英国，2005 年。
3. Schajer, GS, Wiley，“实用的残余应力测量方法”
4. Sasaki, T. 等人，“Debye Scherrerring 图像的图像处理条件对使用成像板进行 X 射线应力测量的影响”，国际衍射数据中心，1997 年。