[发明专利]一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法

权利要求书

1.一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)判断所测试厚板样品材料对应的晶体结构，晶体结构包括：面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构；

(2)a计算所测试厚板样品材料的中子总吸收截面σ_t随波长λ的变化规律；

由公式(1)和(2)可知，规范体积内的峰强I和峰高H随中子穿透路径长度l呈指数衰减规律：

I＝I₀exp(-μl)＝I₀exp(-σ_tn₀l) (1)

H＝H₀exp(-μl)＝H₀exp(-σ_tn₀l) (2)

其中，I₀、H₀分别为中子穿透路径l为0时的峰强、峰高，μ为线性衰减系数，n₀为单元体积的原子个数；

通常，当本底可忽略时，应变误差值Err(ε)可表示为，公式(3)：

Err(ε)＝cotθu_θ/I^1/2 (3)

其中，2θ为衍射角，u_θ为θ的标准差；

但对于厚板残余应力的中子衍射测试，测试点所处位置越深，其本底越不可忽略，此时应变误差值Err(ε)_l修正为公式(4)：

其中，B_l为某一深度处的本底；

根据公式(4)可知，由于材料的中子总吸收截面σ_t与应变误差值呈指数关系，若要提高中子穿透能力，σ_t是最大影响因素；在一定误差下，σ_t越小，l越大，中子具有的穿透能力越强，σ_t与波长λ直接相关；

b绘制出测试材料的中子总吸收截面-波长关系图；

根据中子总吸收截面σ_t由相干散射截面σ_c、非相干散射截面σ_i、吸收截面σ_a三部分构成；

σ_t＝σ_c+σ_i+σ_a (5)

首先，根据测试材料所含元素计算出不同元素对应的微观截面：

某一元素的单位晶胞的相干散射截面，即微观相干散射截面σ’_c可由公式(6)进行计算：

是单位晶胞对hkl晶面反射的结构因数的平方，d_hkl为晶面间距，以上参数均因测试材料而异；

公式(6)是对所有间距d≥λ/2的平面求和；当λ＝2d时，相干散射截面发生突变，此处的波长值即为布拉格边；

某一元素的微观非相干散射截面σ’_i由公式(7)可得，

其中，b_i为非相干散射长度，该参数因测试材料而异，为测试材料中所含元素对应的固定值；

某一元素的微观吸收截面σ’_a与波长成正比，由公式(8)可得，

其中，σ’_1.8,a为λ＝1.8时的微观吸收截面，该参数因测试材料而异，为测试材料中所含元素对应的固定值；

完成微观截面的计算后，材料的总吸收截面值σ_t将通过公式(9)进行计算：

其中，N_A＝6.022×10²³，σ’_j是微观相干散射/非相干散射吸收截面，w_j是质量分数，W_j是某原子的原子质量，为平均密度；

根据计算出的以上数据便可绘制出测试材料的σ_t-λ关系图；

c根据绘制出的σ_t-λ关系图，选择总吸收截面较低的波长值，对厚板样品进行初步测试；

由于不同装置、不同波长的I₀与本底值不同，因此不能仅仅通过σ_t-λ图认为最低总吸收截面对应的波长值穿透能力最强、为最终测试条件，需要根据计算出的σ_t-λ图，选择几个总吸收截面较低的布拉格边附近的波长值，需选择靠近布拉格边波长，但在其2％范围以外的某一波长值作为测试波长，对实际厚板测试样品进行初步测试；

(3)利用中子衍射或X射线测试厚板样品的织构，若样品不存在织构或织构很弱，则根据步骤(2)选取的几种波长值进行初步测试，选择初步测试点，透射模式下选择沿厚度方向的任意一点为初步测试点，反射模式下以厚度中心作为初步测试点，根据峰高/本底值、应变误差值、中子实际穿透路径长度、中子总计数，选取样品在透射模式和反射模式下对应的最佳测试波长；

(4)若样品存在明显的织构，则需根据织构测试结果判断适合样品测试的晶面，将步骤(2)中初步选择出的波长进一步筛选；若每个测试点适合的测试晶面相同，需选择对应测试晶面的波长作为初步测试波长，再重复步骤(3)的初步测试过程确定最佳的测试波长；若每个测试点适合的测试晶面不同，需选择出测试晶面相同的测试点中反射模式下穿透深度最大的为初步测试点，选择对应测试晶面的波长作为初步测试波长，重复步骤(3)的初步测试过程来确定不同测试点的最佳测试波长；

(5)选择最佳的测试波长及其对应的衍射角、衍射面，对厚板样品进行实际测量；样品测试完成之后，以相同的测试条件测试零应力试样的d₀值；

(6)利用高斯函数拟合最终衍射谱图，获得每个测试点的峰位、峰高、半高宽数据信息，根据广义胡克定律计算出每个方向的残余应力值。