TCWAN 0116-2024 金屬材料焊接接頭應力X射線測試方法

ICS25.160.01CCSJ33團 體 標 準T/CWAN0116—2024金屬材料焊接接頭應力X射線測試方法X-raydiffractiontestingmethodforstressofmetallicmaterialsweldedjoints2024-06-12發(fā)布 2024-07-01實施中國焊接協(xié)會發(fā)布0116—2024目 次前 言 II范圍 1規(guī)范性引用文件 1術語、符號和定義 1X射線應力測試原理及方法 2測試儀器 4測試方案的制定 5測試步驟 5試驗報告 8附錄A（資料性） 9參考文獻 10I前 言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國焊接協(xié)會提出并歸口。本文件起草單位：河北河鋼材料技術研究院有限公司、天津市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院、湖南湘工環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司、中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司、天津市思維奇檢測技術有限公司、天津大學、天津市金橋焊材集團股份有限公司、上海工程技術大學、北部灣大學、上海極火網(wǎng)絡科技有限公司、福建省特種設備檢驗研究院。II0116—2024PAGEPAGE10金屬材料焊接接頭應力X射線測試方法范圍本文件規(guī)定了采用X射線衍射原理測試金屬材料焊接接頭應力的方法，內(nèi)容包括術語、符號和定義、X射線應力測試方法及原理、測試儀器、測試方案的制定、測試步驟及試驗報告要求。本文件適用于金屬材料焊接接頭的應力測試。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T7704無損檢測X射線應力測定方法GB/T39520彈簧殘余應力的X射線衍射測試方法JB/T9394無損檢測儀器X射線應力測定儀技術條件術語、符號和定義以下及GB/T7704界定的術語和定義適用于本文件。術語和定義德拜-Debye-Scherrerring當XX射線會以入射XθXX射線的位置在中間的同心圓狀的衍射線圖案。這樣的同心圓一般稱為德拜謝樂環(huán)或德拜環(huán)（Debyering）。符號本文件中的符號和定義見表1。表1 符號和定義符號定義θ布拉格角，衍射角2θ的1/2，亦即入射X射線或衍射線與衍射晶面之間夾角Ψ0入射角，即入射線與試樣表面法線之間夾角χ掃描平面相對于試樣表面法線的夾角ω在χ=0即掃描平面垂直于試樣表面的條件下入射X射線與試樣表面之間的夾角φ衍射晶面法線在試樣平面的投影與試樣平面上某一指定方向的夾角σφφ角方向的正應力σii正應力分量（i=1,2,3）τφσφ作用面上垂直于試樣表面方向的切應力分量τij切應力分量（i≠j；i=1,2,3；j=1,2,3）εφΨφ和Ψ角定義的方向上的應變β積分寬度，即衍射峰去除與布拉格衍射無關的背底以后積分面積與最大強度之比符號定義ZX射線穿透深度1???,??22 1{hkl}晶面的X射線彈性常數(shù)S1，S2，S3試樣坐標系，S1由操作者定義LP洛倫茲偏振因子L1，L2，L3實驗室坐標系{hkl}晶面指數(shù)為（hkl）的晶面族d0材料無應力狀態(tài)的晶面間距dφΨ法線處于φ和Ψ角定義方向上的晶面間距A吸收因子α德拜環(huán)頂端的-Ψ0側(cè)為起點，順時針方向的旋轉(zhuǎn)角ηη=（180°-2θ）X射線應力測試原理及方法X射線應力測試基本原理XX射線衍射測試由于應力導致的晶面間距變化，然后計算應力。法cosα法是使用單一斜入射的X射線，利用二維檢測器獲得德拜環(huán)的全周晶格應變信息來測量試樣表面殘余應力和載荷應力的方法。X射線入射多晶體時，衍射X射線以入射X射線為軸，與反射X射線共同構(gòu)成圓錐狀。圖1是德拜-謝樂環(huán)形成的原理圖。圖1 cosα法X射線應力測定原理圖根據(jù)cosα法進行應力測定，以試樣表面的O點為測定位置，如圖1所示，以所測應力方向為x軸，其垂直方向為yzx-z面內(nèi)與z軸所成角Ψ0的方向入射X圖2 德拜環(huán)上的旋轉(zhuǎn)角對應的4個衍射角測定從入射X射線側(cè)觀察，取以德拜環(huán)中心O作為原點的極坐標系。德拜環(huán)頂端的-η側(cè)為起點，定義順時針方向的旋轉(zhuǎn)角α。旋轉(zhuǎn)角對應的德拜環(huán)的半徑rα為:??=?tan2?? (5.1)其中，L是試樣和檢測器的距離，2ηα是衍射角2θα的補角。2??=180?2??deg (5.2)180?結(jié)合半徑rα、式(5.1)、式(5.2)，可得衍射角2θα180??2?=??tan?1??

deg

(5.3)deg180?raddeg2θα可得晶格應變εα：?180??=?????0 cot?0 (5.4)?180應力值可以從旋轉(zhuǎn)角α對應的晶格應變εαεα+π-α對應的晶格應變ε-α和επ-α4個晶格應變求得。然后求出兩個應變差（εα-εα+π）和（ε-α-επ-α），定義其平均應變參數(shù)εα1為：2??1=?????+?+????????2試樣表面層的應力狀態(tài)為平面應力時，測定應力σx與應變參數(shù)εα1關系如下：???X 1 ?1?1+??sin2?sin2?0?cos?其中Ex為被測樣品相的X射線楊氏模量，νx為X射線泊松比。圖3εα1—cosα圖從單一XΨ0αεαcosαε1

(5.5)(5.6)cosα和εα13??=?1??1

Mpa

(5.7)其中，K1為應力常數(shù)，M1為εα1—cosα圖的斜率。1?=??X 1 11+??sin2?0sin2?01?=1?

Mpa (5.8)(5.9)(5.6)2η隨α2η02η0為無應變2θ0的補角可以推出式(5.10)：2?0=180?2?0deg (5.10)將式(5.5)中的?=?2cos?=0εα13的εα1—cosα圖是通過原點的直線M1。同傾法、側(cè)傾法和擺動法同傾固定Ψ0Ψ（χ法Ψ（修正χ法、擺動法的測試基本原理參見GB/T7704。X射線應力測試方法基于現(xiàn)有不同種類衍射裝置的幾何布置，應力測試方法分為：a）cosα法：將X射線斜向入射，利用二維檢測器所測得的衍射環(huán)（德拜環(huán)）的變化來測試不同方位的晶格應變，從而求得試樣表面層應力的方法。同傾固定Ψ0法（ω法）：應力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測器工作入射角Ψ0保持不變的應力測試方法。同傾固定Ψ法（θ-2θ掃描法）：應力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過程中Ψ角保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應力測試方法。（χ法（Ψ平面（2θ平面相互垂直的應力測試方法。e）側(cè)傾固定Ψ法（即θ-θ掃描Ψ法）：應力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直，探測器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過程中Ψ角保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應力測試方法。雙線陣探測器側(cè)傾法（修正χ法）：兩個線陣探測器對稱地分布于入射線兩側(cè)，取兩個探測器測得的應變的平均值，用該平均值計算應力值。擺動法：在探測器接收衍射線的過程中，以每一個設定的Ψ角（或Ψ0角）為中心，使X射線管和探測器在平面內(nèi)左右回擺一定的角度的應力測試方法。該方法客觀上增加了被測樣品中參加衍射的晶粒數(shù)目，是解決粗晶材料應力測試問題的近似處理方法，擺動角度一般不超過6°。測試儀器基本要求cosα法一般使用便攜式X射線衍射應力測定儀，該儀器管電壓不宜低于30KV，準直器照射面宜為直徑不超過3mm7704和JB/T9394的主要技術要求。X射線管X射線管應根據(jù)被測材料類型選擇Cr、Cu、Mn、Co等靶材。探測器常用探測器類型有以下三種：——單點接收的探測器（通過機械掃描獲得衍射強度沿反射角的分布曲線）；——線陣探測器（可一次性獲得整條衍射曲線）；——面探測器（可一次獲得整個或部分德拜環(huán)）。測角儀測角儀應包括X射線管和探測器，應具備確定φ角、改變Ψ角和在一定的2θ范圍自動獲得衍射曲線的功能。除cosα法外，其余方法使用的測角儀的基本要求如下：——2θ回轉(zhuǎn)中心、Ψ回轉(zhuǎn)中心、X射線光斑中心、儀器指示的測試點中心四者應重合；——接收反射線的總范圍，一般高角不小于167°，低角不宜大于143°（某些專用測試裝置不受此角度范圍的限制）；——2θ最小分辨率不宜大于0.05°；——Ψ0角或Ψ角的范圍一般宜設為0°~45°，需要時可增大范圍，可增設負角（針對特定條件的專用測試裝置不受此角度范圍的限制）；——Ψ0角或Ψ角的設置精度應在±0.5°范圍之內(nèi)；——應配備Kβ輻射濾波片。測試方案的制定測試前，測試機構(gòu)應當與測試委托單位共同制定測試方案，該測試方案應經(jīng)過雙方簽字確認。測試人員應嚴格按照該測試方案進行測試工作。測試方案應包含以下內(nèi)容：——焊接接頭的材料、厚度、焊材等；——焊接接頭所屬設備的運行狀態(tài)（停止運行或未停止運行）；——焊接日期；——焊接參數(shù)；——試驗方法及參數(shù)——測試點位置；——前處理方法；——測試現(xiàn)場及工作安全要求，該要求不能低于相關法律法規(guī)中相關要求。測試步驟測試準備儀器校準X射線衍射應力測定儀測試05±14MPa之內(nèi)，5次應力值的標準差不宜大于7MPa，如果應力值超過±14MPa，應重新調(diào)整設備或測量參數(shù)。選用其他標準試樣塊進行校準可參考GB/T7704。試樣制備當測試點位置位于隔熱層、防腐層、襯里層之下時，應按要求部分或全部拆除隔熱層、防腐層、襯里層，露出測試點。測試點一般應滿足以下要求：——表面應無氧化層、無油污、無涂層、無污垢，且應避開裂紋、腐蝕坑、磕碰劃傷等缺陷；——測試點粗糙度Ra不宜大于10μm。當測試表面無法達到上述要求時，經(jīng)委托單位同意，可采用電解拋光的方法或化學試劑清除氧化層、涂層、污垢、油污等物質(zhì)，如使用砂輪或砂布打磨測試點表面以去除損傷及異物，則應在打磨之后采用電解或化學拋光的手段去除打磨影響層。注：經(jīng)砂輪或砂布打磨后，測試點應力可能與原始表面有所不同。測試參數(shù)及條件設置總則cosα法測試參數(shù)及條件設置應符合7.2.2-7.2.3要求。同傾法和側(cè)傾法的測試參數(shù)及條件設置應符合7.2.3至7.2.9要求。cosα法衍射方式的選擇入射準直儀：X射線的入射側(cè)設置針孔準直儀，來限制X射線的照射區(qū)域。X射線入射角的可動范圍：與試樣面法線所成的X射線入射角Ψ0在二維檢測器和試樣面不干涉的前提下可以在盡可能大的范圍內(nèi)調(diào)整，最好固定在任意的角度。X射線入射角的設定精度：X射線入射角與試樣面法線夾角宜設置在±0.4°以下。輻射、衍射晶面和應力常數(shù)的選擇依據(jù)布拉格定律，針對現(xiàn)有試樣材料的晶體結(jié)構(gòu)合理確定衍射和衍射晶面。表２給出了常用金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、推薦使用的輻射和衍射晶面，并給出相應的衍射角2θ、X射線常數(shù)1{??}和??}22 1應力常數(shù)K，供參考。表2金屬材料晶體結(jié)構(gòu)、輻射、濾波片、晶面、衍射角與應力常數(shù)表材料晶體結(jié)構(gòu)輻射濾波片衍射晶面重復因子2θ/°1{?}/2210-6mm2N-1??}/110-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μm馬氏體鋼體心立方CrKαV{211}241565.81-1.27-3185.8奧氏體鋼面心立方MnKαCr{311}1527.52-1.80-2897.2CrKβ—140-366—鋁合金面心立方CrKαV{222}815618.56-4.79-9711.5{311}2413919.54-5.11-16611.0CuKαNi{422}13719.02-4.94-17934.4CoKαFe{420}16219.52-5.11-7123.6{331}148.618.89-4.9-13023.0鎳合金面心立方MnKαCr{311}152~1626.50-1.56-1814.9材料晶體結(jié)構(gòu)輻射濾波片衍射晶面重復因子2θ/°1{?}/2210-6mm2N-1??}/110-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μmCrKβ—149~157-322—CuKαNi{420}1576.47-1.55-2802.5鈦合金六方CuKαNi{213}14211.68-2.83-2775.1銅合金面心立方CrKβ—{311}14611.79-3.13-225—MnKαCr150-1984.2CoKαFe{400}—16415.24-4.28-827.1注1：表中2θ和Z0為參考值。Ψ角或φ角設置φ角的選擇依據(jù)待測應力方向，試樣待測應力方向應平行于儀器的應力方向平面（Ψ平面）。設置Ψ角時，宜使sin2Ψ值近似于等間隔。Ψ角的選擇宜在0°~45°范圍內(nèi)，個數(shù)不宜低于4個。2θ范圍的設置2θ范圍設置原則是所設定掃描范圍內(nèi)或探測器的采集范圍具備完整的衍射峰。2θ范圍宜大于衍射峰半高寬的3倍。掃描步距的設置掃描步距的設置以能夠在經(jīng)過二次三項式擬合之后得到比較平滑的衍射曲線而又不至于過分消耗測試時間為目標。最小步距不宜大于0.1°。采集時間的設置采集時間的設置應確保能夠得到計數(shù)足夠高、起伏波動相對較小的衍射峰、相對完整的德拜環(huán)，而又不至于過分消耗測試時間。測試點的定位X測試點待測應力方向應平行于儀器的應力方向平面（Ψ平面）。c）按照儀器要求校準標定距離。注：測角儀主軸線即測角儀本身Ψ=0或Ψ0=0的標準線。定峰方法定峰方法即在測得的衍射曲線上確定衍射峰位（衍射角2θ）的方法。選擇定峰方法的原則如下：ａ）在能夠得到完整的鐘罩型衍射曲線條