材料检测分析

残余应力检测

残余应力检测

残余应力检测

残余应力是结构或材料在不受到外载、温度达到平衡条件下,其内部存在并自身保持平衡的应力,通常是由于材料在各种加工过程中受到不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化,或者不均匀的相变而产生,对结构材料的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命都有着十分重要的影响。针对残余应力的测量、表征、分析是材料加工领域的重要内容,残余应力实验室拥有多项高、精、尖的残余应力检测手段,包括X射线衍射法、钻孔法、轮廓法、中子衍射法、FIB-DIC等,不同的检测方法有不同的空间分辨率,适用于不同的测量深度。

微观结构表征

微观结构表征

微观结构表征

微观结构表征实验室可提供微纳米尺度的微观组织结构和力学性能表征,包括SEM、TEM、EBSD、FIB、TKD、AFM等先进组织结构表征技术和电镜高温条件下的原位力学、纳米力学等先进力学性能表征技术,为科研和工业领域材料开发与制造提供专业的技术测试服务及咨询服务。

力学性能测试与评价

力学性能测试与评价

力学性能测试与评价

力学性能测试与评价主要用于金属、非金属材料及其小型结构件在不同温度服役环境下的常规力学和疲劳性能研究。从常规测试到深度研发,东莞材料基因高等理工研究院拥有INSTRON动态疲劳系统、INSTRON热机械疲劳系统、万能试验机、低温示波冲击试验机、INSTRON单轴双向动态疲劳加载系统、SEM原位拉伸系统、微纳米压痕和划痕试验,以及显微组织和形貌观察设备等,其配套装备处于国内领先水平,部分设备达到国际先进水平。

设备共享

设备共享

设备共享

中子衍射

| 方法原理


中子衍射法是通过测量中子束的衰减而进行的无损检测技术,可以用来测量材料内部的三维残余应力分布,是一种重要的无损检测分析手段。利用中子衍射测量残余应力的工作始于20世界80年代。目前,美国、日本、中国和欧洲国家均建造了应力场无损探测中子谱仪(包括英国散裂中子源ISIS的ENGIN-X谱仪;美国橡树岭国家实验室中子散射中心的VULCAN谱仪;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的SMARTS谱仪;日本J-PARC中子源的TAMUMI谱仪;以及中国散裂中子源的工程材料谱仪等),在多个领域的重要部件如反应堆压力容器和蒸汽发生器等核电设备残余应力的测量上发挥了重要作用。


中子衍射法以中子流为入射束,其测定残余应力的原理与X射线衍射法相类似。由于中子不带电,不与原子核周围的电子发生相互作用,只在与原子核碰撞时才会改变运动方向,因此,与X射线和同步辐射相比,中子具有更强的穿透能力,这决定了中子衍射法可以对材料内部较深部位的残余应力进行测量。中子衍射法在描述材料内部残余应力方面具有巨大的潜力,是目前穿透力最强的无损应力测量方法。中子衍射可以通过测量样品整个截面区分宏观应力和微观应力,整个截面范围内的宏观应力值为零,由衍射峰的展宽则可直接获得材料的微观应变值。但是中子衍射测量残余应力也有其局限性,如所需要的测量时间比较长,且束流使用费用昂贵,这在一定程度上限制了其商业应用。

 

| 应用领域


中子衍射测量残余应力的应用范围非常广泛,特别适用于材料科学和工程领域:

各类晶体金属构件的残余应力分布,如焊接接头、金属增材制造构件、铸造、锻造等不同工艺的生产制造的构件。(目前中子衍射仅支持重大科研项目方可申请使用)

 

| 技术优势


中子衍射测量残余应力具有许多优势,使其成为材料科学和工程领域中应力分析的重要工具。以下是中子衍射的一些主要优势:

非破坏性:中子衍射是一种非破坏性的测试方法,不会对样品造成任何损伤或改变其结构,因此可以用于对敏感和昂贵的材料进行分析。

深入分析:中子可以深入材料内部,穿透较厚的样品,提供有关材料深处的应力信息,而传统的表面方法无法达到这一深度。

高分辨率:中子衍射具有高分辨率,可以检测微小的应力变化和结构细节,从而提供更详细的应力分析。

大样品适用性:中子衍射适用于各种尺寸和形状的样品,包括大型结构和复杂几何形状的组件。

多材料适用性:中子衍射可用于金属、陶瓷、聚合物等各种材料的应力分析,因此适用于多种应用领域。

混合应力分析:中子衍射可以同时测量多个方向上的应力分量,因此能够提供更全面的应力分析。

高精度:中子衍射测量结果通常具有高精度,可用于确定残余应力的准确数值。

实时监测:中子衍射可以在材料制造和加工过程中进行实时监测,有助于控制和优化工艺参数。

总之,中子衍射测量残余应力的优势包括非破坏性、深入分析、高分辨率、多材料适用性以及适用于各种样品尺寸和形状。这些特点使中子衍射成为材料性能评估和工程质量控制的强大工具。

 

| 相关案例


 

案例1:原位高温相变研究

利用中子衍射原位研究了热机械控制处理(TMCP)过程中的相变行为。试样为圆柱形低合金钢,奥氏体化后淬火处理,初始组织是马氏体。加热过程中,随着温度的升高,观察到渗碳体析出以及铁素体到奥氏体的相变行为。冷却过程中,通过衍射图谱观察到奥氏体到铁素体和珠光体的转变,实验结果揭示了近平衡的微观结构变化。通过TMCP模拟实验,研究发现高温下奥氏体的塑性变形促进了铁素体的相转变。

 

 

案例2:Inconel 718高温合金的变形行为原位中子衍射研究

镍基高温合金Inconel718的强化主要源自于 γ 基体中的 γ" 强化析出相。以往的研究主要使用TEM来观察位错与 γ" 析出相间的相互作用来研究其强化机理,但是由于其周围较强的应力场导致观察位错变得困难,使得不同的研究者得出了不同的结论。随着中子衍射技术的出现和发展,得益于其具有的晶粒取向及物相选择特性,原位拉伸中子衍射技术成为研究高温合金微观力学变形行为的有效手段。其可以测量出 γ 基体相及 γ" 强化相的不同hkl的晶面间距,进而得出在加载过程中的应力-晶格应变曲线,研究其微观力学行为和强化机理。

 

我们首先制备了具有不同 γ" 变体分布的Inconel718样品,然后将样品带到工程谱仪进行原位拉伸中子衍射实验,最终成功获得了样品的 γ 基体相及 γ" 析出相的微观应力-晶格应变曲线,通过与其宏观应力-应变曲线比较,从微观力学层面解释了Inconel718镍基高温合金的强化机理和变形行为。该项研究成果对于指导Inconel718合金的时效热处理具有重要意义。

 

中子谱仪原位拉伸实验

微观应力-晶格应变曲线

 

 

案例3:大尺寸工程部件残余应力中子衍射研究

Magnesium Elektron公司是曼彻斯特一家先进的镁合金研发公司,该公司生产的镁合金广泛应用于航空和汽车工业。由于镁合金相对铝合金经济性更好,公司需要对产品进行批量生产。但是在高强镁合金WE43厚板生产的冷铸过程中产生了显著的裂纹。冷铸WE43厚板尺寸为880×870×315mm³,重量约为400kg,中子穿透路径长度最大超过400mm,取样测量体积为10×10×10mm³,斩波器频率设为最高50Hz。中子路径为412mm的情况下测量时间为60分钟,衍射峰拟合误差约为100με。对于大体积样品测量的主要问题在于较长的穿透路径造成中子强度大幅度降低,为了提高中子衍射峰质量不得不延长实验测量时间,同时也引入了较多的实验本底信号。测量完毕后对整体铸件进行分割,切成50mm厚的小块样品进行进一步精确测量,取样测量体积为10×10×10mm³,斩波器频率设为25Hz以获取更多衍射峰,中子路径为71mm,测量时间90秒,衍射峰拟合误差为46με。裂纹产生源于铸造过程中产生的残余应力。利用有限元模型模拟生产工艺并可以预测残余应力的大小和分布。通过中子衍射实验可以获得残余应力大小和分布,并验证有限元模型。利用经过实验验证的有限元模型对生产工艺进行进一步优化,最终避免了产品的开裂现象。

 

中子衍射实验配置

残余应变分布和裂纹

 

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