[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

说明书

本发明提出一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法，该方法针对不同测试材料对应的晶体结构、所含元素成分，计算测试材料的布拉格边、中子总吸收截面与波长的对应关系；通过计算布拉格边、中子总吸收截面与波长的对应关系，确定几种能提高中子在厚板样品中穿透深度的波长值；测试样品的织构，根据织构的测试结果选择初步测试波长，并根据峰高/本底值、应变误差值、中子总计数、中子实际穿透路径长度选取测试样品在透射模式和反射模式下对应的最佳波长；从而通过改变波长，提高中子在厚板样品中的穿透深度，降低测试时间和误差，准确测试厚板残余应力。本发明通过改变波长的方式，提高中子在厚板样品中的穿透能力，提高中子衍射测试厚板残余应力的效率，降低测试时间和测试误差。

技术领域

本发明涉及残余应力的中子衍射测试技术领域，具体地说是涉及一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法。

背景技术

随着工业设备向高效率、大型化的方向发展，厚板结构在石油化工、核电、船舶、航天、建筑等行业中的需求不断增加。而厚板结构可能会接受到焊接、固溶、淬火、时效处理等工艺，由于多次热循环、较大焊接约束或较大梯度温度造成其内部应力分布复杂、变化剧烈，形成较大的残余拉应力。残余拉应力的存在会引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，在一定条件下也将影响结构的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性等。除此以外，还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。而随着试样厚度的增加，沿厚度方向的残余应力分布对裂纹萌生和断裂有着较大的影响。因此，准确评估厚板残余应力的分布，特别是沿着厚度方向的残余应力分布对于结构完整性、设备的运行监督、安全评估具有重要的技术意义和工程应用价值。

残余应力测试技术分为有损检测和无损检测两类。常用的有损检测方式包括钻孔法、环芯法、轮廓法等。钻孔法、环芯法等只能对表面残余应力进行测试，其中轮廓法能够测量厚板内部的残余应力分布，但需对试样沿测试截面进行切割，对试样造成较大破坏。无损检测方式主要包括X射线、同步辐射法、中子衍射法等。X射线由于穿透能力的限制，只能用于测试表面或近表面的残余应力，而中子是目前唯一真正意义上的体探针，中子衍射技术广泛应用于探测大块材料或工程部件内部(厘米量级)三维多尺度的应力(变)分布，因为中子的强穿透能力和较高的衍射角，允许其比同步辐射法进行更深的测量，并可根据多晶材料内部弹性变形引起的晶粒间距相对于无应力状态时的变化进行应力测定，与现有常规方法相比具有不可替代性，应用前景非常广阔。我国可利用中子衍射实现对钢材和铝材料内部50mm和50～100mm的残余应力测量。然而，当钢材厚度超过30mm、铝材料厚度超过60mm时，测试难度加大，测试精度难以保证，很多中子应力谱仪难以完成厚板残余应力的测试。但是此类厚度并不满足我国现有工业设备的发展需求，因此增加中子穿透深度十分必要。

中子穿透能力与装置的性能、中子源的功率相关。通常，增加规范体积和测试时间是利用中子衍射测试厚板残余应力的常用手段。在透射模式下，中子总穿透路径长度与测试点所处位置无关；在反射模式下，中子穿透路径长度随着测试点所处深度的增大而增加，试样内部的测试点比表面测试点需要更大的规范体积或更长的测试时间来保证测试得到的衍射信号能用于残余应力的分析。然而，规范体积的最大尺寸受到测试要求的分辨率限制，测试时间由于受到开堆时间限制无法有效增加。并且中子强度随中子穿透路径长度呈指数衰减，增加规范体积和测试时间起到的作用非常有限。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种利用中子衍射技术测试厚板残余应力的方法，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；

(2)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，绘制出所测试材料的中子总吸收截面-波长关系图；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；