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【干货分享】同步辐射X射线衍射技术

发布时间：

2025-04-21 17:52

来源：

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，CEAM针对常用的残余应力检测技术推出系列干货，对各检测方法进行逐一介绍，本文主要介绍——同步辐射X射线衍射技术。

往期干货回顾：

- 同步辐射X射线衍射技术 -

（一）技术原理：

同步辐射X射线衍射技术的测试原理为基于布拉格方程通过测试晶面间距并结合弹性力学计算得到残余应力，包括单色和多色（白光）同步辐射X射线衍射两种。

（1）单色同步辐射X射线衍射

是将一束已知波长的X射线以不同角度照射到待测试样表面，收集衍射信号计算晶面间距；

（2）多色同步辐射X射线衍射

是利用白光X射线以固定角度照射试样表面，收集不同能量的衍射信号计算晶面间距。

一般来说，单色同步辐射X射线的光束强度相对较低，穿透能力要弱一些。

（二）技术优势：

同步辐射X射线相对于传统X射线具有高能量、高亮度、高准直、高偏振、窄脉冲等多种优点，其穿透深度更大，能够实现更高的时间和空间分辨率。

（1）较高的空间分辨率

较高的空间分辨率有利于获得工程材料涂层、近表面以及裂纹尖端的应变分布，实现百微米范围的微区衍射和晶格应变测量。

（2）较高的时间分辨率

较高的时间分辨率则有利于开展原位加载情况下的动态应变，以及相变应力演化信息的研究。

（三）延伸介绍：

该技术与小角X射线散射或小角中子散射结合，还可获取残余应力与缺陷尺寸和分布相关的信息，从而进一步开展材料裂纹尖端断裂机理的相关研究。

STEUWER等利用同步辐射测试了铝锂合金裂纹尖端应变场，进一步获取了疲劳过载过程中裂纹尖端的应力演变，为认识材料在复杂加载条件下的力学行为提供了参考。

同步辐射光源属稀缺资源，目前全球范围内的同步辐射光源实验室及仪器设备包括法国ESRF光源ID31/ID15、德国BESSY光源EDDI、英国DIAMOND光源I12、中国上海光源科学中心超硬多功能光束线站BL12SW、中国北京怀柔高能同步辐射光源谱仪工程材料线站ID07（在建）等。

案例分享：

航空发动机叶片在喷丸处理前，是通过三层钛合金的扩散连接制成，因此了解近表面以及跨粘结层的应力分布具有重要意义。该叶片在英国的同步辐射源（SRS）进行了检测，实验是在白光能量色散模式下沿着叶片厚度方向进行测量，喷丸诱导的塑性（距表面约0.2毫米处）很明显，这也说明了同步辐射应力测量能够提供高空间分辨率。

Ti-6Al-4V航空发动机叶片边缘样品

a) ε_xx b) ε_yy

叶片截面中呈现的弹性残余应变分布

理解结构材料的抗疲劳性是提高耐久性的关键。裂纹尖端应变场也可以通过高空间分辨的同步辐射X射线衍射技术直接测量出来。

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。下表1汇总了目前常用的残余应力检测技术的原理、适用范围、相关标准、优缺点等。

▼点击表1可放大查看▼

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，在工业应用场景中，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。

CEAM轮廓法案例：

精密轴承轮廓法切割，分别对轴承的外圈，内圈以及滚珠进行轮廓法表征，对轴承的应力分布情况进行分析，为后续轴承设计的优化提供数据支持。

3D打印模具钢轮廓法内部残余应力测量，可准确获取模具内部各个位置的残余应力情况，有助于发现潜在的问题点并及时采取措施加以解决。

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。