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【干货分享】无损检测表面残余应力——X射线衍射法

发布时间：

2025-04-10 13:01

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阅读量：

随着我国工业水平的不断提升，残余应力问题日益受到重视。准确测试和控制残余应力可以实现改善材料性能、提升尺寸精度、延长寿命等目的，进而提升关键工程构件的安全性和可靠性。因此，残余应力检测技术在航空航天、核电、船舶等领域发挥着重要作用，为工程构件力学性能研究和安全评估提供关键数据支持。

残余应力检测经过近百年的发展，至今已形成了十余种检测方法，下表1汇总了目前常用的残余应力检测技术。CEAM针对常用的残余应力检测技术推出系列干货，上文我们详细介绍了“什么是残余应力，如何测量残余应力（点击可跳转）”，现针对各检测方法进行逐一介绍，本文主要介绍——X射线衍射法。

▼点击表1可放大查看▼

型号：LXRD SYSTEM

优势：结构合理、有良好的静态、动态刚度、并能采用先进技术，保证系统具有良好的动态品质，达到高精度、高速度、高效率、成复性好为一体；

测量方法：同倾法和侧倾法通用；

测量精度：设备满足ASTM E915-21、EN15305-2008、GB/T 7704-2017最新标准要求。无应力铁粉测量精度及成复性：连续五次测量应力平均误差小于±6.9Mpa；当ψ角旋转时，旋转中心偏差小于±5%；

型号：MRX-X-Raybot

优势：便携式可折叠高精度6轴机器人，搭配双激光搭配一摄像头三角定位组合；激光快速精准定位（角度和距离）；

测量方法：sin2ψ法；ψ或Ω分析（可自由选择同倾法或侧倾法或搭配使用）；

测量精度：满足欧盟标准EN 15305；国标GB7704-2017《X射线应力测定方法》；

- X射线衍射法 -

（一）技术原理：

X射线衍射方法是技术发展和工程应用最成熟的残余应力无损检测技术。其测试原理为残余应力会引起晶格畸变，从而改变晶面间距，通过X射线照射晶面发生衍射，测定衍射角的变化，从而推算出晶面间距变化，进而采用布拉格方程计算得到残余应力。

CEAM案例：

钛合金TC4进行XRD残余应力测量

大尺寸管道失效分析进行XRD残余应力测量

（二）发展背景：

基于晶格畸变的X射线衍射技术最早由俄国学者阿克先诺夫于1929年提出；1961年，德国学者 Machearauch 进一步提出了用于二维残余应力测试的sin² ψ 法，促进了X射线衍射检测残余应力的实际应用和发展。

我国对X射线残余应力测试的研究始于20世纪60 年代中后期，王仁智和张亦良等一批学者开始利用日本理学株式会社生产的X射线衍射仪测试压力容器上的残余应力，标志着我国残余应力检测工作的正式开启。

（三）技术特点：

X射线衍射技术自提出以来不断发展完善，是目前残余应力检测的主流方法，具有精度高、标准完善、操作便捷等优点，广泛用于晶体材料的残余应力测试。但是，其穿透深度较浅，一般可测试的表面层深度为10μm以内，属于一种表面残余应力测试方法。综合电解抛光技术，X射线衍射技术可以测得从表面到内部约1mm深度的残余应力，可获得近表面不同深度的残余应力分布。

CEAM案例：

高端精密轴承逐层剥离 XRD 残余应力测量

轴承在制造过程中经过了复杂的热处理和机械加工和装配工艺，在其表面和内部不可避免地存在残余应力，这对其服役性能有直接的影响，尤其是对轴承的疲劳寿命有较大的影响。CEAM采用电解抛光和 XRD对其残余应力进行表征以解决轴承在应用过程中的失效问题。

（四）延伸：

此外，近年来发展起来的短波长X射线技术采用重金属钨靶X射线管作为射线源，可以大大增加X射线在样品中的穿透深度，针对镁合金的穿透深度可达厘米级；但现阶段该方法的标准还不完善，且测量时间过长等问题也在一定程度上限制了该方法的广泛应用。

残余应力直接影响工程构件的加工质量、服役安全和使用寿命，选择合适的检测技术往往能产生事半功倍的效果。目前，主要的残余应力检测技术有X射线衍射法、中子衍射法、超声临界折射纵波法、磁测法、压痕应变法、仪器化压入法、FIB-DIC、小孔法、深孔法、环芯法、轮廓法等。

不同技术各有优缺点，进行选择时需注意综合考虑测试目标、成本和时间、测试环境、材料类型、试样形状尺寸、测试深度、空间分辨率、结果不确定度、设备、操作人员经验和残余应力特征等因素。下表2罗列了常见因素及考虑重点。

▼点击表2可放大查看▼

一般来说，对于工业应用场景，X射线衍射法因具有实时现场测试和操作简便等优点而应用最为广泛，若待测试样为大晶粒或者具有明显织构取向的金属材料，可考虑采用小孔法或者环芯法代替；对于测试精度和空间分辨率不高的应用场景，可考虑采用成本低、效率高的超声法或磁测法；对于需要测试大构件内部残余应力时，可考虑采用中子衍射法或同步辐射X 射线衍射法，但这两种技术成本高、时间长，如果不介意损坏待测试样，可考虑采用深孔法或轮廓法。

此外，也可以多种方法结合来进行残余应力检测，以实现互补和相互验证。例如，欧洲核电安全条例要求采用两种不同测试原理的残余应力检测技术对核电异种金属焊接管道进行残余应力测试，一般先采用中子衍射法进行无损检测，再利用轮廓法得到更高空间分辨率的环向和轴向残余应力分布云图。总的来说，在开展应力检测工作之前，要综合考虑多方因素，做好测试方案。

CEAM案例：

套筒冷膨胀镍基合金板残余应力测量

对镍基高温合金板材，为在中间孔周围引入残余压应力提高性能，采用了冷膨胀工艺进行局部预应变处理。CEAM通过轮廓法+X射线衍射的方法进行全面的残余应力测量，检测引入的残余压应力数值，对后续服役性能提供指导意见。

我们是 CEAM

东莞材料基因高等理工研究院（CEAM）是广东省和东莞市人民政府大力支持下创立的省级新型研发机构，专注从事材料检测分析和金属增材制造领域。在松山湖科学城设立了12000㎡的研发共享实验平台，投入设备价值超2亿元，配套了完整的材料研发、制备、表征和检测评价等高端科研与专业检测仪器设备，为工业领域的材料与装备制造提供一站式技术解决方案和专业咨询服务。

研究院下设检测分析中心和增材制造中心，针对不同领域方向设有11大实验室。其中针对残余应力检测方向设有残余应力实验室，实验室拥有多项高、精、尖检测手段，包括X射线衍射法、钻孔法、轮廓法、中子衍射法、FIB-DIC等，从表面到内部的三维残余应力检测，针对不同工艺的复杂样件可开展不同尺寸、不同空间分辨、不同测量深度的全尺度、多角度的残余应力检测服务。