微区残余应力的毛细管X射线透镜检测方法

郭 非，安 宁，吴思宇，周 鹏，刘 芯，李玉德

(1.中国石油物资公司，北京 100029；2.北京市辐射中心，北京 100875)

微区残余应力的毛细管X射线透镜检测方法

郭 非，安 宁，吴思宇，周 鹏，刘 芯，李玉德

(1.中国石油物资公司，北京 100029；2.北京市辐射中心，北京 100875)

针对现有小功率残余应力仪在进行微区应力检测时，存在衍射强度低导致测试准确度低、稳定性差等问题，阐述了一种毛细管X射线透镜结合应力仪实现微区应力检测的方法。采用基于全反射原理的透镜，通过对X射线的调控，形成微区照射面积，将相同照射面积下的光强度提高数十倍，且在衍射半高宽适度增大的情况下，对检测出的应力值影响不大。

毛细管X射线透镜；残余应力；微区

材料自身残余应力的研究与测试作为材料科学和力学研究方向的一个重要领域[1]，有着显要的地位。特别是近年来，要求研究和发展新的定量分析残余应力大小和分布的测试技术与手段，以解决各种现有残余应力测试方法的弊端，这对残余应力的分析测试技术提出了新的挑战。同时，材料微观区域(以下简称微区)的应力状态可能对材料的宏观特性起着决定性作用[2]。因此，有效准确地测定微区应力显得非常重要。笔者针对现有小功率残余应力仪在进行微区应力检测时，存在衍射强度低导致测试准确度低、稳定性差的问题，阐述了一种毛细管X射线透镜结合应力仪实现微区应力检测的方法，该方法可用于检测细小焊缝、细线径弹簧、小尺寸钢珠等的微区应力。

1 残余应力检测方法

目前，残余应力检测方法多种多样，根据其对被测样品是否具有破坏性来分类，主要分为有损法和无损法两类。有损法是利用机械加工等手段分离小部分或全部被测样品，使被测样品的残余应力得到部分或者完全释放，再通过电阻应变计测出残余应力，主要包括：盲孔法、取条法、环芯法等[3]。无损法是指不破坏样品表面，利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力之间的关系，从而推算出残余应力[4]。无损法按其使用检测手段的不同来分类，主要分为X射线衍射法、超声法、中子衍射法和磁性法等。其中，由于X射线衍射法具有可靠性高、理论成熟等特点，成为科研单位及工厂企业的常规应力检测手段。

2 微区残余应力检测的应用困难

近年来，诸如钛合金、铝锂合金等广泛应用于航空航天工业中，其焊接残余应力的精确测定成为了工程界公认的难题。其原因是虽然激光焊、真空电子束焊等新型焊接工艺和检测对象不同，但这两种焊接方式有共同的特点，即合金焊缝窄、应力分布梯度大。因此，为了掌握窄焊缝、高应力梯度的残余应力分布规律，必须将测试面积限制在极小的范围内。圆孔光阑的常规残余应力仪无法对衍射能力极低的钛合金等轻质合金进行检测。

弹簧是工程机械行业的关键零件，目前，无论是在产量还是生产规模方面都有了较为明显地提升。但与此同时，弹簧服役条件也随现代机械领域的不断发展而变得日渐苛刻。弹簧的残余应力检测是确保弹簧品质的重要质检过程，目前X射线衍射技术是测定弹簧残余应力及分布的唯一方法，但该方法在测定细线径圆柱螺旋弹簧的残余应力时会遇到困难。原因是弯曲表面会产生X射线照射区域的曲面衍射效应及照射点的位置偏移。这些情况常常会导致错误的检测结果，因此欧美应力测定标准规定X射线照射面积应该小于被分析表面被测应力方向曲率半径的0.4倍[5]，可忽略曲面衍射效应的不利影响，确保应力测定结果的可靠性。同样，应用于精密仪器仪表、汽车工业等领域的小钢珠的残余应力检测也始终存在此类问题。

由此来看，微区残余应力的测定难题可归纳为两方面：一是当照射区域缩小至微区时，对于衍射峰低的材料可能难以得到衍射峰，甚至根本无法检测；二是由弯曲表面引起的曲面衍射效应会给小尺寸微曲面及曲面材料的检测准确性带来影响。

目前国内外X射线应力仪均采用圆孔光阑限束法实现微区测试，该方法称为光阑微区产生方法。小功率应力仪在微区测试时会因X射线照射面积过小导致强度太低，致使测试工作因测量精度太差、效率过低而失去意义。严重的则难以获得衍射峰，导致无法检测。特别是当利用平行光束法来测量衍射线十分散漫的材料时，衍射强度将成为能否测定和影响测试精度的主要因素[6]。国外进口大功率应力仪虽然能在一定程度上弥补此类问题，但由于其具有价格昂贵、高能耗且无法方便用于现场检测作业等缺点，应用范围十分有限。

3 毛细管X射线透镜微区残余应力检测方法的原理

毛细管X射线透镜由多根内表面非常光滑的空心玻璃管构成，属于毛细管光学元件的一种[7]。其利用X射线全反射原理可以实现X射线在毛细管内部的高效传输，从而达到对X射线进行调控的目的，已成功应用于X射线荧光成像、X射线共聚焦技术、同步辐射技术等多个热门领域[8-10]。

根据作用不同，目前可将毛细管X射线透镜分为4大类，即会聚透镜、平行束透镜、半会聚透镜和微会聚透镜[11]。对于基于衍射法的微区残余应力测定来说，较好的平行度是确保试验数据准确的必备条件之一。因此，选用微会聚透镜进行研究，该透镜的特点是既可用来获得小焦斑，又可保持相对较小的发散度。微会聚毛细管X射线透镜原理如图1所示。

图1 微会聚毛细管X射线透镜原理示意

在残余应力检测中，用毛细管X射线透镜代替常规应力仪的圆孔光阑进行限束，形成微区照射面积,该方法称为毛细管透镜微区产生方法。其与光阑微区产生方法的差异主要为自光路差异和光斑特征差异。就光路来说，前者是通过调整毛细管X射线透镜的外形曲线、子导管直径等条件，使之尽可能大范围地接收由光源发出的X射线，而X射线会在子导管内部进行数次全反射，最终会聚在透镜的后焦距位置处，形成微区照射面积。就光斑特征来说，毛细管X射线透镜的光强分布呈高斯分布形式，其不同于光阑微区产生方法，是毛细管透镜微区产生方法的最本质特征。

图2为北京师范大学X射线实验室与邯郸爱斯特应力技术有限公司研制的基于毛细管X射线透镜的残余应力仪样机外观及其原理，其照射在样品上的光斑尺寸(FWHM直径)约0.38 mm，光斑全宽约0.9 mm，照射在样品的光斑面积约为0.113 mm2，光斑面积约为0.636 mm2，水平发散度为0.03 rad。

图2 基于毛细管X射线透镜的残余应力仪样机外观及其原理示意

4 毛细管X射线透镜与光阑微区产生方法检测结果

为了检验毛细管X射线透镜较圆孔光阑在微区残余应力测定的优势，使用基于毛细管X射线透镜的残余应力仪样机与常规残余应力仪，分别重复检测上海交通大学残余应力分析与喷丸强化实验室提供的-(557±35) MPa残余应力标样，并将所测得的衍射峰高及衍射强度进行照射面积归一化比较，即衍射峰高及衍射强度除以各自照射在样品的整个光斑面积。

传统残余应力仪使用直径φ1 mm的圆孔光阑，经光路几何关系计算，该光阑垂直照射在样品的光斑面积是1.775 mm2。两种方法采用相同试验参数各重复检测10次。主要参数为：电压28 kV，电流8 mA，计数时间1 s，2θ(θ为衍射角)扫描步距为0.1°，2θ扫描范围148°～163°，扫描ψ045°和ψ00°的衍射峰。图3为相同条件下常规应力仪和基于透镜的应力仪对-(557±35)MPa应力标样检测结果。采用两种方法检测该应力标样的结果如表1和表2所示。

图3 相同条件下常规应力仪和基于透镜的应力仪对-(557±35) MPa应力标样的检测结果

表1 φ1 mm圆孔光阑检测-(557±35) MPa应力标样的检测结果

由表可知，对比基于直径φ1 mm圆孔光阑的应力仪，基于透镜的应力仪在ψ045°和ψ00°方向半高宽平均增大1.32倍和1.44倍的情况下，应力值的准确性并未受影响。究其原因，虽然衍射峰半高宽增大是导致随机误差产生的主要因素之一，但对随机误差影响更为敏感的因素则是衍射峰强度。当衍射强度达到一定程度时，半高宽适当增大，对测量误差并无显著影响[12]。通过该表还可发现，基于透镜的应力仪的衍射峰高度和衍射峰强度明显强于基于光阑的应力仪。经过样品照射面积的归一化后得知，毛细管微区产生方法在ψ00°方向的衍射峰高是光阑微区产生方法的13.43倍，衍射强度为光阑微区产生方法的18.37倍。

表2 毛细管透镜检测-(557±35) MPa应力标样的检测结果

5 结语

阐述了一种毛细管X射线透镜结合应力仪实现微区应力检测的方法，称为毛细管微区产生方法。其采用基于全反射原理的透镜，通过实现对X射线的调控，形成微区照射面积，可将相同照射面积下的光强提高数十倍，且在衍射峰半高宽适度增大的情况下，对应力值测试准确性的影响不大。毛细管微区产生方法应用在小功率的残余应力仪上有着充分的优势，同时对于细小焊缝、细线径弹簧、小尺寸钢珠等的微区应力测量也有着广泛的应用前景。

致谢

感谢邯郸爱斯特应力技术有限公司提供的试验设备及技术支持，并感谢爱斯特公司董事长兼总经理吕克茂先生的宝贵建议及参考意见。

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The Method of Capillary X-ray Lens Measurement of Micro-area Residual Stress

GUO Fei, AN Ning, WU Siyu, ZHOU Peng, LIU Xin, LI Yude

(1.China Petroleum Materials Corporation, Beijing 100029，China；2.Beijing Radiation Center, Beijing 100875，China)

The low-power residual stress measurement systems have disadvantage of poor accuracy and low stability due to weak detectable diffraction intensity. In this paper, a capillary X-ray optics has been applied in residual stress measurement systems for micro-area measurement. Through the regulation of X-ray and the formation of micro irradiation area, the area under the same irradiation intensity increase several times, and the FWHM of diffraction moderate increases, the stress value has little effect on accuracy.

capillary X-ray lens；residual stress；micro-area

2016-12-06

郭 非(1990-)，男，硕士研究生，主要从事无损检测、应力分析、毛细管光学透镜研制等工作

郭 非，guofei2004@sina.com

10.11973/wsjc201707015

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0065-04