同步加速器衍射

同步加速器衍射或高能 X 射线衍射 (HEXRD) 技术使用与标准 X 射线衍射相同的原理进行残余应力测量。

根据布拉格定律，穿透组件的高能 X 射线被其材料晶粒内的晶面衍射。该技术利用材料的多晶格作为原子应变仪。该技术依赖于对应力引起的多晶材料中原子晶格平面分离变化的精确测量。同步加速器 X 射线的几何定义非常明确，并且可以常规实现 μm 级的光束尺寸。

具有相应菱形测量体积的入射和衍射 HEXRD 光束示意图。

高能 X 射线在同步加速器环内产生，因此该技术不便于携带。世界各地有许多这样的同步加速器设施，光束时间的使用要么是购买的（1 - 6 个月的前置时间），要么是通过成功申请学术同行评审过程（6 - 12 个月的前置时间）免费授予的，条件是：结果将被公布。

Diamond，英国牛津附近的新同步加速器设施。

同步加速器提供非常强的高能 X 射线束，比基于实验室的 X 射线系统强一百万倍，因此具有更高的穿透深度（例如 20 毫米钢和 100 毫米铝）。因此，同步加速器衍射能够在工程部件中提供高空间分辨率、应变分布到毫米深度的 3D 图。

然而，当测量到毫米深度时，需要确定d 0无应力晶格间距。因此，通常在测量位置从组件中提取无应力样本。对于组件表面附近的测量，可以使用微分技术，这样就不需要无应力样品。

相对较高的能量束导致低2θ散射角，通常在 4° 到 10° 之间，形成细长的菱形测量体积。因此，尽管 HEXRD 量规体积被认为很小，但测量方向对于优化空间分辨率很重要。由于穿透深度和计量体积伸长率的耦合，同步加速器衍射最适合轻合金和板状几何形状。

铝冲孔板残余应力的比较。

单轴（有时是双轴）残余应力通过 HEXRD 技术进行常规测量。然而，由于其良好的穿透深度，三轴（即 σ xx、σ yy和 σ zz）残余应力可以通过旋转部件来测量，以进行第二组和第三组测量。与 XRD 相比，组件的表面光洁度对 HEXRD 的重要性不那么重要，并且在钢中可以再次以 ±30MPa 的名义精度测量应力，但它也存在晶粒尺寸和纹理问题。

同步加速器衍射技术的优点：

• “非破坏性”技术（尽管可能需要提取 d0 个样本或切割光束访问窗口）；
• 良好的穿透深度——钢 20 毫米，铝 100 毫米（总光束路径长度）；
• 通过试样操作进行三轴残余应力测量；
• 小量规体积（通常 <1mm 3）非常适合测量应力梯度；
• 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；
• 快速测量过程；
• 测量宏观和微观应力。

同步加速器衍射技术的缺点：

• 具有样品尺寸和重量限制的实验室测量；
• 仅适用于多晶材料；
• 精度受晶粒尺寸和质地的影响；
• 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；
• 加长的计量体积。

参考资料和延伸阅读：

1. Noyan, IC 和 Cohen, JB，“残余应力、衍射测量和解释”，Springer-Verlag，纽约公司，1987 年。
2. Steuwer, A., Santisteban, JR, Turski, M., Withers, PJ, Buslaps, T.，“使用能量色散同步加速器 X 射线衍射数据的全剖面分析在大块样品中进行高分辨率应变映射”，核仪器和物理研究方法，B 238, 200-204, 2005。
3. Steuwer, A., Santisteban, JR, Turski, M., Withers, PJ, Buslaps, T.，“使用能量色散同步加速器 X 射线衍射数据的全剖面分析在大块样品中进行高分辨率应变映射”，J。应用程序。水晶，37 (6), 883-889, 2004。