GB/T 26140-2010 无损检测 测量残余应力的中子衍射方法

ICS19．100

J04

a园

中华人民共和国国家标准

21432：2005

GB／T26140—2010／ISO／TS

无损检测

测量残余应力的中子衍射方法

Non—destructive

testiⅡg—

Standardstestmethodforresidualstresses

determining

neutrondiffraction

by

21432：2005，IDT)

(IS0／TS

201

1—01—14发布

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局者龠

111

中国国家标准化管理委员会8

GS／T

目次

前言·………-………………·………………Ⅲ

…

引言………Ⅳ

1范围……………-·-·…···…·…·………··……··-··…………．．…．．1

2规范性引用文件…………·………………-…1

3术语和定义………1

4符号和缩略语·……………………4

5方法概要………………6

6测量准备·……………～lo

7材料表征……………·………………14

8记录要求和测量过程…·……．………………．15

…

9应力计算……17

10结果可靠性………．…19

11报告…·…·····…·····……·………··19

附录A(资料性附录)测量过程…………………·21

附录B(资料性附录)被测物理量不确定度的测定……26

………………

参考文献……28

21432=2005

6B／T26140—2010／ISO／TS

刖罱

本标准等同采用ISO／TS

21432：2005{无损检测测量残余应力的中子衍射方法》(英文版)。

本标准等同翻译IsO／TS21432：2005。

为便于使用，本标准作了如下修改：

——“本国际标准”一词改为“本标准”；

——删除国际标准的前言}

——将国际标准1SO／TS21432：2005／Cor．1：2008(E)技术勘误纳人本标准；

11

——用GB／T2000规定的引导语代替国际标准中的引导语}

——勘误了国际标准图1中图例2和图例3的错误，互换了图例2和图例3的内容；

——勘误了国际标准图2中对散射角的表述错误，将20"修改为2口，相应的图例1也修改为2日；

——勘误了国际标准图8c)中SGV质心的标示错误，将“O”改为“x”}

——勘误了国际标准附录A．5．1中的引用错误，将A．4．4改为A．4．5。

本标准附录A和附录B为资料性附录。

本标准由全国无损检测标准化技术委员会(SAC／TC56)提出并归口。

本标准起草单位：中国工程物理研究院核物理与化学研究所、上海泰司检测科技有限公司、上海诚

友实业有限公司、上海威诚邦达检测技术有限公司、上海材料研究所。

本标准主要起草人：陈波、孙光爱、黄朝强、熊智明、金宇飞。

21432=2005

GB／T26140一2010／lSO／TS

引言

中子衍射是一种测定晶体材料残余应力和外施应力的无损检测方法，可用于测定材料内部和近表

面的应力，测量时将样品或工程部件运送到中子源处，测量得到弹性应变，然后再转换为应力。本标准

制定的目的是为工程应用中应力的可靠测定提供技术规范。

GB／T21432：2005

26140一2010／琏o／Ts

无损检测

测量残余应力的中子衍射方法

警告：本标准不涉及任何安全问题，即使有任何这方面的内容，也是与其应用有关。适用的安全和

健康行为规范由本标准的用户建立，并在使用本标准时加以遵守。

1范围

本标准规定了中子衍射测量多晶材料残余应力的方法。本标准适用于均匀和非均匀材料以及含不

同晶相的块状样品检测。

本标准简要介绍了中子衍射技术的原理，测量不同种类材料时对应采用的衍射晶面给出了建议，为

如何选择与被测材料晶粒尺寸和应力状态有关的测量方向和待测体积提供了指导。

本标准描述了准确定位和校正中子束内检测部位的过程，目的是在测量时能够准确定义样品材料

的取样体积。

本标准描述了标定中子衍射装置需要注意的问题，介绍了获取无应力参考值的技术方法；

本标准详细描述了中子衍射测量各种弹性应变的方法，阐明了结果分析和确定统计相关性的过程，

对如何从应变数据获得可靠的残余(或外施)应力，以及如何评价结果的不确定度提出了建议。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有

的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

EN13925

3无损检测多晶和非晶材料的x射线衍射第3部分：仪器

3术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3．1

吸收absorption

中子被原子核俘获。

corn。

注：原子棱俘获截面表可以在此网址及其连接处查阅：http：／／www．webelements

3．2

校正alignment

装置所有单元部件和样品的摆放与取向调整，目的是能够对样品的待铡位置进行可靠的中子衍射

应变测量。

3．3

备向异性anisotropy

材料特性对取向的依赖性。

34

衰减attenuation

中子强度的减弱。

注：衰减可用包古吸收和不同枝散射过程的“中子总截面”计算，衰减长度是中子在材料内部强度减少至1／e倍时

的距离．

】

GB／T21432：2005

26140一2010llSOITS

3．5

本底background

不属于衍射信号的强度。

注：经常有依赖于散射角或飞行时问的本底，并在数据分析中影响衍射峰的位置。

3．6

限束光学系统beamdefining

optics

为确定中子束性能(如：中子波长、强度分布、发散度和形状)所安置的设备。

注：这些设备包括孔径、狭缝、准直器、单色器和反射镜。

3．7

布拉格边braggedge

中子强度随波长或衍射角的突然改变，对应关系为A--2dnⅥr，这里^名’f’代表衍射晶面

3．8

布拉格峰bragg

peak

对应特定(hkl)晶面的衍射强度分布。

3．9

height

峰高peak

扣除本底后布拉格峰的最大强度。

3．10

function

峰形函数peak

描述衍射线形状的解析表达式。

峰位peak

position

描述布拉格峰位置的数值

注：峰位是计算应变的奂定量

3．12

衍射diffraction

基于干涉现象的散射

3．13

衍射弹性常数diffractionconstants

elasticity

多晶材料中与各自(hkl)晶面有关的弹性常数。

注：通常称为弹性常数，可表示为Eu(衍射弹性模量)和岫(衍射泊橙比)

314

衍射谱diffraction

pattern

能够得到的波长或飞行时间和／或散射角范围内散射中子的分布

315

widthathalfmaximum

半高宽full

FWHM

扣除本底后衍射峰高一半处的宽度。

316

全谱分析full

patternanalysis

从测得多晶材料的衍射谱确定多晶的晶体结构和／或微结构。

注：垒谱分析通常根据使用方法命名(例如：里特扶尔禧精修)，单峰分析也是如此

21432：2005

GB／T26140一2010／lSO／TS

317

volume

规范体积gauge

获得衍射数据的体积。

注：这个体积由人射柬和衍射柬交叉部分确定

318

昌格参数latticeparameters

晶体学单胞的线性尺寸和角度。

注：大多数工程材料具有立方或六方晶体学结构，因此，晶格参数通常仅是指单胞的边长

5．19

晶格间距latticespacing

d间距d

spacing

相邻晶面之问的距离。

3．20

宏观应力merostress

Istress

第一类应力type

包含大量晶粒的体积的平均应力

注：也称为第一娄应力。

32

微观应力microstress

宏观应力限定体积内的平均应力偏差。

注：有两类截观应力：

——晶牲或相尺度上测定的宏观应力平均偏差(也称为第二类应力

——几个原子尺度上第二类应力的平均偏差(也称为第三类应力)。

322

instrument

单色装置monochromatic

利用很窄中子能量(波长)段的中子装置

323

neutronbeam

单色中子束monochromatic

具有很窄能量(波长)段的中子束。

3．24

distributionfunction

取向分布函数orientation

晶体学织构的定量描述。

注：取向分布函数对于计算织构材料的弹性常数是必需的

3．25

neutronbeam

多色中子柬polychromatic

在一定范围内具有连续能量(波长)的中子束

3．26

参考点referencepoint

装置规范体积的质心。

注：见65。

327

可复现性reproducibility

相同被测物理量在改变测量条件后所得铡量结果之间的一致性程度。

EVIM：1993]

注1：可复现性的有教陈述要求具有条件改变说明，包括：铡量原理、测量方法、观测人、涮量装置、参考标样、位置

3

21432：2005

GB／T26140一201011SOlls

使用条件和时间。

注2：可复现性可以根据结果的离散特征定量表示。

拄3：本标准所用结果通常认为是正确的结果。

328

散射scattering

相干散射coherent

scattering

中子在有序散射中心产生的干涉相长或相消的散射。

3．29

非相干散射incoherent

scattering

中子以一种互不相关的方式进行散射。

3．30

单峰分析singlepeakanalysis

测量衍射数据中对单峰和本底特征进行统计分析的过程。

3．31

织构texture

样品内晶体(晶体学织构)或强化(形态学织构)的择优取向。

332

scan

surface

穿过表面扫描throu【gh

确定样品表面或界面位置的过程。

注：有时也称为表面扫描或强度扫描，而扫描结果常被祢为进^曲线。

333

飞行时间time-of-flight

一定速度(能量或波长)的中子穿行从定义起点到探测器之间距离所需要的时间。

334

ofmeasurement

测量不确定度uncertainty

表征合理地赋予被测量量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。

[VIM：1993]

注1：例如，这个参数可能是一个标准偏差(或是它的倍数)，或是具有既定可信度区间的半宽度。

注zt测量不确定度通常由许多因素组成。其中一些因素可由一系列涮量结果的统计分布评价，用实验的标准偏

差表征；另外一些因素也可“利用标准偏差表征，其评价基于经验或其他信息的假定几宰分布。

注3；铡量结果被理解为测量值的最佳估计，所有不确定度因紊．包括那些来自系统效应的．如矫正和参考标准方

面的园褰，都对俯差有贡献。

注4：不确定度需区别于测量准确度，测量准确度会受系统偏差影响。

335

scall

壁扫描wall

见3．32。

4符号和缩略语

4．1符号

a、b、c单胞的边长，这里是指晶格参数nm

B在峰位处的本底

d晶格间距Ⅱm

e能量

E弹性模量GPa

GB／T21432：2005

26140—2010／ISO／TS

与(hkl)衍射晶面有关的弹性模量GPa

l

应变梯度mm

普朗克常数J·s

晶体学晶面指数

六方结构可选用的晶体学晶面指数

峰高

扣除本底后布拉格峰的中子积分强度

入射和散射中子的波矢nnl‘

从中子源到探测器的路径长度m

中子衰减长度mm

中子质量(1_67×10_27kg)kg

b宇。。川删H，蛐L；％M记录中子总数

1

散射矢量(如t。)nm

从源到探测器的中子飞行时间

温度℃或K

标准不确定度

样品坐标轴

热膨胀系数K

参数的改变或变化

弹性应变

弹性应变张量分量

(hkl)衍射晶面相关的正弹性应变

中子波长

泊松比

与(hkl)衍射晶面相关的泊松比

应力MPa

应力张量分量MPa

屈服应力MPa

衍射角(。)

方位角(。)

2

表示晶体学晶面指数

表示有关量沿z洲Y轴方向的分量

表示有关量在(咄。)方向的法向分量

Q。下。一。。。钿钆。，岫。如‘船一体一一缈㈣表示有关量的无应变值

表示有关量的参考值

43缩略语

PSD位置灵敏探测器

TOF飞行时间

IGV装置规范体积

NGV标称规范体积

SGV样品规范体积

GB／T21432：2005

26140一2010ITSOITS

5方法概要

51导盲

本标准主要涉及工程分析中残余或外施应力的测定问题，方法是通过中子衍射测量晶体学平面之

间的晶格间距，从晶格间距的改变，导出弹性应变，然后根据应变计算应力。通过平移被测样品或部件

穿过中子柬，可以测得不同位置的应变，提供不同位置的应力。本章将简要介绍应变的测量过程。

5．2原理概述——布拉格定律

当晶体材料受到与其晶面间距相近波长的射线照射时，射线将被衍射从而形成特定的布拉格峰，衍

射线产生的角度由布拉格衍射定律给出：

2d“lsln巩H=^…………(1)

式中：

^——射线波长；

dⅢ——产生布拉格峰的(hkl)晶面间距；

日眦——布拉格角。

衍射峰观察位置与人射束成2钆角，如图1所示。

53中子源

中子衍射利用的中子由裂变或散裂产生，前者主要是见于稳态核反应堆，后者是脉冲散裂源。两种

情况产生的中子能量都要慢化至热中子范围，即波长^≥0．09nm。在反应堆源上，通常利用晶体单色

器从多色中子束中选出特定波长的中子；在散裂源上，中于束通常由一系列含有不同渡长中子的短脉冲

组成，每个中子的能量(也即波长)可根据中子飞行至探测器的距离和飞行这段距离所用的时间[称为飞

行时间(TOF)]确定。因此，飞行时间是测量波长(有时称为能散)与在任意特定散射角记录的整个衍

射谱之间的关系。多色中子短脉冲可利用一个或多个斩波器将连续中子或长脉冲斩断得到。

54应变测量

当样品受到已知波长的单色平行中子柬照射时，它的晶格间距可根据布拉格定律公式(1)得到。样

品无应变时，晶格间距对应于材料的无应变(无应力)值，定义为d。m有应力的样品中，晶格间距改变

并且每一个布拉格峰都将偏移，弹性应变可表示为：

sm=訾一舞一酱一，

在飞行时间装置(应用飞行时问的仪器)上，具有一定速度(也即波长)范围的中子脉冲直接到达样

品，测量中子的飞行时间￡，由德布罗意关系可计算它们的波长：

“嘉“…“3)

将公式(3)代人布拉格定律公式(1)，特定波长和晶体平面的对应飞行时间变成：

tⅢ=21孕．L-sin0．dⅢ…………(4)

探测器放在2口角处。

由于入射中子是多色的，记录了所有与应变测量方向垂直的晶面反射，每个反射产生于不同的晶粒

族，使得特定的(hkl)平面衍射至探测器。弹性应变可根据任何反射的飞行时间偏移计算，描述方式类

似于公式(2)，只是2口角是固定的：

s，

em=急一訾一生≮导m………………c

需要指出的是同时记录多个晶面反射有利于利用多蜂拟合或全谱分析方法分析数据(见6．3．2)。

6

21432：2005

CB／T26140—20IOI[SOITS

对于单色和飞行时间装置，应变测量的方向沿着散射矢量方向，即Q-kr—k，该矢量在入射束和衍

射柬中间并垂直于衍射平面，如图1所示。

55中子衍射仪

反应堆源上用于测量应变的典型单色装置如图2所示。首先，用合适的单色器反射多色中子束得

到特定静单色渡长，然后利用限束光学系统对这种单色中子柬进行空间限定，得到所需尺寸的束流，这

种束流经样品衍射后被中子探测器捕获。在单色装置上获得的衍射峰如图3所示。

飞行时间衍射仪主要用在脉冲源上，每个脉冲都给出一个跨越大范围晶格间距的衍射谱。脉冲源

上可同时在两个方向进行应变测量，典型的飞行时间装置见图4。由于散射角固定，散裂源上的许多装

置使用了径向(聚焦)准直器，这比利用狭缝系统能够获得更大的立体角，然而这需要保证大多数被探测

中子来自于确定的规范体积(见65)。根据不同角度位置将探测器各个单元获得的信号合并，带径向

准直器的两个或更多的探涮器可以同时测量多个Q(应变)方向。在这种装置上获得的典型衍射谱

见图5，图中也显示了里特沃尔德蜂形精修的结果，该方法是利用最小二乘法将晶体学模型结构与衍射

数据进行拟合(见6．3．2)。

56应力确定

应力和弹性应变是通过固体的弹性常数相联系的二阶张量，由于中子衍射可以测量晶体一定体积

内的弹性应变，如果相关弹性常数已知，便可以计算相应体积内的平均应力。完全确定应变张量需要铡

量至少六个独立方向的弹性应变；如果主应变方向已知．沿三个方向测量就足够了}在平面应力或平面

应变情况下，则可能进一步减少为两个方向；对于单轴加载的情况，仅需要测量一个方向。

样品内的应力和应变通常依赖方向和位置，这就需要在多个位置和方向测量应变}相应地，也就需

要准直中子柬与探测器准确地定位样品，实现方法通常是靠样品台的平移或转动。

顺序地移动样品通过入射束和衍射束相交所形成的空间体积(称为规范体积，见6．5)，改变弹性应

变空间和测量不同方向，可以绘制样品或部件内的应力分布图。

l——衍射渡矢‘

2——散射矢量Q

3——^射波矢k．

4——衍射平面。