[发明专利]中子衍射残余应力测定装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及残余应力检测技术领域，具体涉及一种中子衍射残余应力测定装置与方法。

背景技术

机械零件或大型构件在制造时，各种工艺过程往往都会给它留下残余应力(外力撤除后在材料内部残留的应力)；另有一些制造工艺，例如喷丸、滚压等，本身就是为了给工件增添适当的残余应力。在制造过程中，适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。所以，一个构件残余应力状态如何，是设计者、制造者和使用者共同关心的问题。无损地测定残余应力是改进强度设计、提高工艺效果、检验产品质量和进行设备安全分析的必要手段，在很多行业，残余应力测试已成必需的检验和控制手段。

目前残余应力的检测方法中使用最多的是X射线衍射法。X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律(2dsinθ＝nλ，其中d为晶面间距，θ为衍射半角，n为衍射级数，λ为所用靶的波长)，把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征为晶面间距的相对变化。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此有可能通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ，X射线法已经很成熟，它的主要特点是：1)属于物理方法，不改变试样的原始应力状态；2)理论严谨，方法成熟；3)测定的是表面应力，对材料的表层状态比较敏感，须对测试点作适当的表面处理；4)可以借助电解抛光等手段测定应力沿层深的分布。用于残余应力测定的Cr、Fe、Co靶X射线管发出的标识X射线，波长较长，在铜或钢铁材料中的穿透深度仅为10微米左右。而同步辐射装置可以提供较短的波长，但其对铜或钢铁材料的穿透深度也仅在250微米范围内。所以，X射线和同步辐射测定的只是试样表面或次表面某点的残余应力，若要测残余应力沿层深的分布，必须对试样或工件进行破坏性的多次剥层和多次测定。剥层会引起残余应力释放，形状简单的试样可以按一定的公式进行残余应力剥层校正，但形状复杂的工件则无法进行这种校正。另外，剥层测定工作量大，测量精度差，是破坏性的测量方法。

发明内容

针对现有技术中X射线和同步辐射残余应力测定装置和方法只能无损测定表面残余应力的缺陷，本发明的目的在于提供一种中子衍射残余应力测定装置与方法，通过该装置与方法，实现被测试件的三维、无损和深度应力的测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

中子衍射残余应力测定装置，包括：

水平孔道：用于引出反应堆的白光中子源；

准直器：用于将反应堆水平孔道引出的白光中子源转变成平行中子束流；

光阑：用于限制第一准直器射出的中子束流的数量；

单色器：用于将通过光阑后的中子束流单色化；

入射狭缝：用于限制单色化后的中子束流的高度和宽度；

样品台：用于放置待测样品；

出射狭缝：用于限制与样品作用发生衍射后射出的中子束流的宽度；

中子探测器：用于记录发生衍射后由出射狭缝射出的中子的数目；

中子捕集器：用于捕集测定过程中穿透待测样品的直接中子束；

其中，单色器放置在可旋转屏蔽大鼓内部的空腔中；入射狭缝连接在屏蔽大鼓的可旋转部分；出射狭缝连接在中子探测器支架上；样品台围绕单色器中心转动，中子探测器围绕样品台的旋转中心转动。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，该测定装置还包括用来记录单色器发出的单色中子数目的第一监视器、用来调整入射狭缝的位置和样品边界扫描定位的第二监视器、用来标定样品台的旋转中心和样品定位的机器视觉定位系统、用来检查样品放置的位置和确定中子束流高度的经纬仪和大鼓驱动电机。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述可旋转屏蔽大鼓包括用于改变单色器起飞角的活动扇形屏蔽块；单色器起飞角的范围为41°～109°。

进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，入射狭缝和出射狭缝是利用步进电机驱动的，狭缝开口尺寸由全部闭合到10mm×40mm。

更进一步，如上所述的中子衍射残余应力测定装置，所述视觉定位系统为CCD相机。

基于上述中子衍射残余应力测定装置的中子衍射残余应力测定方法，包括以下步骤：