专利名称：一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法
技术领域：
本发明涉及一种采用X射线衍射扫描无损检测铝合金板材内部残余应力的方法， 也适合具有平行面铝合金构件内部应力沿厚度方向的定点分布无损检测。
背景技术：
铝合金经过铸造挤压和热处理后产生极大的应力，这主要是由于板材在淬火的急速冷却过程中，板材的表面与心部的冷却速度不同，存在冷却梯度，使得板材的表面层受到附加压应力而心部受到拉应力，使板材产生极大的残余应力，板材越厚，这种热的梯度就越大，所产生的残余应力也越大，导致成品状态的板材机加工时产生变形，对于大厚型的铝板往往需要进行预拉伸以便减小因热处理产生的应力，预拉伸的目的是产生一定的应力以抵消部分热处理带来的残余应力，使最终产品的残余应力尽可能降低。预拉伸的变形量是决定最终残余应力大小的关键，但预拉伸的变形量需要根据淬火后板材的内部残余应力分布来确定，而目前内部残余应力的无损检测是个难题，本发明就是针对此问题，采用短波长X射线衍射透射的方法，利用布拉格原理，对铝合金板材内部残余应力进行定点测定，其目的是可以进行预拉伸板拉升量的优化，实时掌握和控制铝板生产加工中的应力，促进航空业中的大飞机、航天飞行器及轨道交通能源中急迫需求各种铝板材的应用。对晶体材料的应力无损测定世界上通用的是X射线衍射方法。但普通X射线管靶材只能进行晶体材料表面20微米以内的衍射，因此测定的应力实则是表面层的一个平均平面应力。要无损测定内部的应力只能通过中子衍射或同步辐射，而中子衍射需要先进反应堆，同步辐射需要极大的光源，两者都需要巨额投入，目前我国用中子衍射和同步辐射进行晶体材料内部应力的测试研究还在探索过程，国际上利用中子衍射和同步辐射对晶体材料残余应力已进行了相当的研究，但鉴于不同材料有其特殊性，因此在标样的制备等方法上也有所不同。

发明内容
本发明的目的是提供一种利用重金属钨靶短波长χ射线衍射仪无损测定铝合金板内部残余应力的方法。本发明的技术方案如下(1)衍射体积中心位置的确定将衍射仪2 θ角固定在铝(111)晶面衍射峰位置， 在样品架上固定薄铝箔片，将样品架垂直于散射矢量方向的轴(Ζ轴)以0. Imm步长移动， 探测器记录每个位置固定时间的衍射强度，用高斯函数拟合或者重心法确定衍射体积中心位置；(2)试样切割及测试位置选择对待测铝合金板进行切割，轧向和横向尺寸切割至7-10倍厚度尺寸，将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向，衍射体积中心位于衍射仪理论圆心且位置固定，通过样品台的Χ、Υ、Ζ轴和欧拉角(K)转动实现样品的不同区域进入衍射体积，实现样品不同区域的应力测定；κ = 45度时，板横向平行于水平方向，此时通过Z轴的移动实现板厚不同位置的衍射谱提取；(3)铝合金板横向晶面间距测量选择好测试位置，衍射仪θ角转到2. 5度，2 θ 角转到铝(111)晶面衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小，K角固定在衍射强度最大位置；厚度位置和K角位置选择好后，2 θ角转到铝(111)晶面衍射峰附近开始测试，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度；(4)铝合金板轧向晶面间距测量Κ角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复步骤1. 3的测试过程；(5)无应力标样制备及参考晶面间距的测量对铝合金板进行无应力参考标样的切割，根据往复运动的振幅大小将铝合金板邻近测试部位某区域利用线切割切成4 6mm(轧向)Χ4 6mm(横向)X板厚度尺寸(法向)多块小长方体单元，切割使用线切割， 最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定，将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。(6)测试数据进行计算此时铝合金板应力计算的公式可以简化为
权利要求
-1. 一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，所述方法包括步骤如下1.1衍射体积中心位置的确定将衍射仪2 θ角固定在铝(111)晶面衍射峰位置，在样品架上固定薄铝箔片，将样品架垂直于散射矢量方向的轴(Ζ轴)以0. Imm步长移动，探测器记录每个位置固定时间的衍射强度，用高斯函数拟合或者重心法确定衍射体积中心位置；1.2试样切割及测试位置选择对待测铝合金板进行切割，轧向和横向尺寸切割至 7-10倍厚度尺寸，将待测铝合金板样品固定在样品架上，铝合金板横向平行于散射矢量方向，衍射体积中心位于衍射仪理论圆心且位置固定，通过样品台的Χ、Υ、Ζ轴和欧拉角(K)转动实现样品的不同区域进入衍射体积，实现样品不同区域的应力测定；K = 45度时，板横向平行于水平方向，此时通过Z轴的移动实现板厚不同位置的衍射谱提取；1.3铝合金板横向晶面间距测量选择好测试位置，衍射仪θ角转到2. 5度，2 θ角转到铝(111)晶面衍射峰强度最大位置进行K角扫描，K角从30度扫描到60度，记录每度的衍射强度大小，K角固定在衍射强度最大位置；厚度位置和K角位置选择好后，2 θ角转到铝 (111)晶面衍射峰附近开始测试，扫描铝(111)衍射峰，步长为0.01度，记录各角度衍射强度；1.4铝合金板轧向晶面间距测量Κ角转动90°，换成铝合金板轧向平行于水平方向重复步骤1. 3的测试过程；1. 5无应力标样制备及参考晶面间距的测量对铝合金板进行无应力参考标样的切害I]，根据往复运动的振幅大小将铝合金板邻近测试部位某区域利用线切割切成4 6mm(轧向)X4 6mm(横向)X板厚度尺寸(法向)多块小长方体单元，切割使用线切割，最后将切割下的小块按原位置重新堆垛，边缘处用树脂固定，将标样安放在样品架上用测量铝合金板的同样方法测试其轧向和横向(111)的晶面间距。
1.6测试数据进行计算此时铝合金板应力计算的公式可以简化为
2.根据权利要求1所述的一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，其特征在于所述步骤1. 3中，针对粗晶，增加步骤如下在同一厚度的X或Y方向的平行往复运动，以增大衍射的统计性。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金板材内部残余应力定点无损检测方法，其特征在于对于铝合金板中一般存在的黄铜织构Brass {011} <211>以及S织构{123}<634>，铝 (111)晶面极密度最大位置在偏离轧向20度附近，如果轧向无法直接测量，可以测量此方向的(111)晶面间距，再通过弹性力学关系转换为轧向应变，计算公式如下 _ εα-Sm sin2 a
全文摘要
本发明针对铝合金板材或简单结构形状的铝合金构件因热处理或其它原因在材料内部产生残余应力，采用容易获得的可工业化实用的重金属阳极靶的X射线管辐射，利用布拉格原理和弹性力学原理，通过无应力标样的制备获得参考原始晶面间距d0，然后通过短波长X射线仪的定位，测出板材或构件内部所需测试部位材料的晶面间距，经计算得到该点的残余应力。通过此方法，可以获得沿板材不同厚度的X射线衍射谱，测试到相应点的残余应力，得到沿厚度方向的应力梯度。对于铝合金材料，测试的板材最大厚度可以在40mm以内。应力测试的仪器误差在20Mpa以内。
文档编号G01L1/25GK102169033SQ201010586489
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者何长光, 张津, 彭正坤, 牟建雷, 郑林, 高振桓 申请人:北京科技大学