x射線衍射測量殘余應力實驗指導書

1、X射線衍射方法測量材料的殘余應力射線衍射方法測量材料的殘余應力一、一、實驗目的與要求實驗目的與要求1.了解材料的制備過程及殘余應力特點。2.掌握X射線衍射（XRD）方法測量材料殘余應力的實驗原理和方法。3.了解表面殘余應力的概念、分類及測試方法種類，掌握XRD儀器設備的操作過程。二、二、實驗基本原理和裝置實驗基本原理和裝置1.X射線衍射測量殘余應力原理射線衍射測量殘余應力原理當多晶材料中存在內應力時，必然還存在內應變與之對應，導致其內部

2、結構(原子間相對位置)發(fā)生變化。從而在X射線衍射譜線上有所反映，通過分析這些衍射信息，就可以實現(xiàn)內應力的測量。材料中內應力分為三大類。第I類應力，應力的平衡范圍為宏觀尺寸，一般是引起X射線譜線位移。由于第I類內應力的作用與平衡范圍較大，屬于遠程內應力，應力釋放后必然要造成材料宏觀尺寸的改變。第II類內應力，應力的平衡范圍為晶粒尺寸，一般是造成衍射譜線展寬。第III類應力，應力的平衡范圍為單位晶胞，一般導致衍射強度下降。第II類及第III

3、類內應力的作用與平衡范圍較小，屬于短程內應力，應力釋放后不會造成材料宏觀尺寸的改變。在通常情況下，我們測得是殘余應力是指第一類殘余應力。當材料中存在單向拉應力時，平行于應力方向的(hkl)晶面間距收縮減小(衍射角增大)，同時垂直于應力方向的同族晶面間距拉伸增大(衍射角減小)，其它方向的同族晶面間距及衍射角則處于中間。當材料中存在壓應力時，其晶面間距及衍射角的變化與拉應力相反。材料中宏觀應力越大，不同方位同族晶面間距或衍射角之差異就越明顯

4、，這是測量宏觀應力的理論基礎。原理見圖1。由于X射線穿透深度很淺，對于傳統(tǒng)材料一般為幾十微米，因此可以認為材料表面薄層處于平面應力狀態(tài)，法線方向的應力(σz)為零。當然更適用于薄膜材料的殘余應力測量。令方位角φ分別為0o、90o及45o時，對上式簡化，并對sin2ψ求偏導得到式中K稱為Ｘ射線彈性常數(shù)或Ｘ射線應力常數(shù)，簡稱應力常數(shù)。式中偏導數(shù)項，實際是2θ與sin2ψ關系直線的斜率，采用最小二乘法進行線形回歸，精確求解出該直線斜率，帶入應

5、力公式中即可獲得被測的三個應力分量。這就是平面應力測量的基本公式，利用應力分量σx、σy和τxy，實際上已完整地描述了材料表面的應力狀態(tài)。OφψZ()σzP()εφψX()σxY()σy圖2應力狀態(tài)圖2.實驗裝置實驗裝置(1)XRD設備、計算機(見圖3）。(2)陶瓷塊材或者不同工藝參數(shù)制備的Cu膜和BaF2膜（參數(shù)見表1）。圖3XRD設備照片??????????29020sin2sin2??????KKyx，??????????????