短波長X射線衍射技術及在環境工程中的應用展望

鄭林，竇世濤，張津，肖勇，何長光，朱蕾，彭正坤，張鵬程，封先河

?

短波長X射線衍射技術及在環境工程中的應用展望

鄭林1，竇世濤1，張津2，肖勇1，何長光1，朱蕾1，彭正坤1，張鵬程3，封先河1

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083；3.中國工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽 621700）

介紹了短波長特征X射線衍射無損檢測分析原理和方法，無損地測定了預拉伸鋁板、高強鋼孔擠壓件、鋁合金攪拌摩擦焊接件等材料部件的內部殘余應力、內部物相、內部織構及其分布，并分析討論了測試結果。該儀器具有體積小，投資少、使用維護方便等優勢，展望了該無損檢測分析技術在裝備環境工程中的應用前景。

短波長特征X射線衍射；內部殘余應力；內部織構；內部物相；環境試驗

武器裝備的結構件主要采用鋁合金、高強鋼、鎂合金等晶體材料制造，其內部殘余應力、內部物相、內部織構不僅影響生產加工和加工質量，亦直接影響其使用服役性能，加之材料部件的環境效應是長時間的累計過程。因此，采用無損檢測測定其內部殘余應力、內部物相、內部織構等技術研究它們隨時間的變化規律就顯得尤為迫切，然而，工件內部殘余應力、內部物相、內部織構等的無損測定是在先進制造技術領域中未能得到較好解決的難題。

目前，西方發達國家采用造價高昂、規模龐大的中子衍射[1—4]或高能同步輻射的短波長X射線衍射[5—9]裝置無損測定工件內部殘余應力、內部物相、內部織構等，應用于先進武器裝備的研制生產。在我國，中子衍射裝置還在建造、高能同步輻射的短波長X射線衍射裝置還在計劃中的2008年，采用重金屬靶發出的短波長特征X射線，自主研發了用于工件內部晶體物質衍射分析的SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀及其無損檢測分析技術[10—11]，用于工件內部殘余應力、內部物相、內部織構等的無損測定。該專利技術已獲得中、美、英、法、德等國專利局授權。該儀器如同現有的X射線儀器設備一樣，可以在企業、研究機構中使用，有體積小、投資少、使用維護方便等優勢，而且也是中子衍射、高能同步輻射的短波長X射線衍射等大型科學實驗裝置研究成果在工程應用的橋梁。

文中介紹了短波長特征X射線衍射儀（SWXRD）無損測定工件內部應力的原理和方法，以及預拉伸鋁板、高強鋼孔擠壓件、鋁合金攪拌摩擦焊接件等材料部件的內部殘余應力、內部物相、內部織構及其分布的無損測定。最后，討論分析了該無損檢測分析技術可以在裝備環境工程中的應用方面。

1 SWXRD測試分析概述

1.1 測試分析原理、方法

短波長X射線衍射儀[12—14]是利用WKα1（波長為0.020 899 2 nm）射線的強穿透性射入工件內部，探測器通過限位狹縫系統定點接受被測試工件內部的衍射線，在測試中，被測工件被測試部位始終位于衍射儀圓圓心，如圖1所示。

圖1 短波長X射線衍射譜測試原理

不同測試部位的選取，是通過樣品臺上的三維，，平移運動，使得被測試部位運動到衍射儀圓圓心，從而定點無損測量被測工件（如預拉伸鋁板測試樣品）內部不同部位物質衍射的WKα1衍射強度。測量被測試部位物質的不同方向衍射強度，是通過角、樣品臺上的角轉動，使得被測試工件被測試部位轉動到待測方向。

在衍射譜測量中，采用衍射角2步進掃描方式，定點無損測量工件內部晶體物質短波長特征X射線衍射譜，用于物相分析，以及應變測量，計算被測試部位的殘余應力。在織構測量中，采用將探測器置于2hkl，轉動角到一定的角度，轉動角進行步進掃描，定點無損測量WKα1的衍射強度及其分布，用于織構分析，表征被測試部位的晶體取向分布及差異。

SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀對不同材料具有不同的穿透深度，部分常用材料的最大可測厚度見表1。在文中，材料的最大可測厚度是根據與WKα1在穿透40 mm厚鋁材的強度吸收衰減率相等而計算得到的[15]，各材料的鋁當量與各材料的線吸收系數和鋁線吸收系數的比值成反比。顯然，被測材料越厚，入射的WKα1吸收衰減就越厲害，收集同樣衍射強度的時間就越長。

表1 部分常用材料WKα1的最大可測厚度

利用SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀進行實驗研究的主要測試參數：輻射的W靶X射線管特征X射線WKα1波長為0.020 899 2 nm，管電壓為200 kV，管電流為12 mA，衍射晶面為Al（111）。圖2為2步進掃描測得的25 mm厚2024預拉伸鋁板厚度中心層TD方向的Al（111）衍射譜，從圖2中可見，2= 5.12°附近的Al(111)晶面衍射峰無WKα2衍射峰的干擾。

1.2 實驗驗證

為了驗證測試部位的差異，采用3層物質的組合試樣，即23.4 mm厚的鋁粉+6.2 mm厚的α-SiO2粉+23.4 mm厚的鋁粉，分別測量距兩表面5，26.5 mm處的衍射譜，測試結果如圖3所示。從測試結果可以看出，中間部位的衍射譜是α-SiO2的，其余兩處的衍射譜是Al的，從而驗證了SWXRD測試原理和方法的正確性。

圖2 預拉伸鋁板厚度中心處TD方向的Al（111）晶面衍射譜

為了將測得的衍射譜與國際粉末衍射標準（JCPDS）卡片進行對比，在SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀上，對鋁粉標樣Al(111)晶面的衍射譜進行重復測試，并定峰。Al(111)晶面間距的重復測量結果與JCPDS卡片的值差異小于±0.6×10－13m。

為了驗證SWXRD無損測定內部殘余應力的結果，采用同一塊淬火的20 mm厚7075鋁板，先后在SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀和法國LLB G4.2中子衍射應力站進行了對比測試[13]。兩種測試均采用0法，測試結果吻合，如圖4所示。其分布均呈現“內拉外壓的”的拋物線分布。

圖4 SWXRD與LLB G4.2中子衍射應力站對比測試結果

1.3 材料工件內部晶體衍射的無損測試技術比較

表2總結了材料工件內部晶體衍射的無損測試技術與短波長特征X射線衍射無損檢測技術的比較[12]。在這三種技術中，只有采用了重金屬靶X射線管作為輻射源的短波長特征X射線衍射無損檢測分析技術，能夠如同通常的X射線檢測分析技術在企業和研究機構中使用。

表2 材料工件內部晶體衍射的無損測試技術比較

2 幾種材料的SWXRD無損檢測分析

2.1 強力擠壓A100鋼件

強力擠壓A100鋼件的測試試樣尺寸為120 mm（長度）×39.2 mm（寬度）×2.4 mm（厚度）。測試部位為試樣厚度中心層距圓孔內表面0.3，0.6，1.6，3.6，4.6，8.6，14.6，24.6，34.6，44.6 mm處，無損測定這些部位的徑向殘余應力及其分布，如圖5所示。

參考GB 7704—2008[16]，采用透射方式的Sin2法，衍射晶面為Fe（211），無損測得的強力擠壓A100鋼件中心層距圓孔內表面的徑向殘余應力及其分布，結果如圖6所示。

從測試結果可以看出：經強力擠壓的A100超高強度鋼測試試樣內孔，在其厚度中心層上，在距內孔表面4.6 mm處，最大殘余壓應力r,max超過300 MPa；在其厚度中心層上，在內孔附近形成了殘余壓應力場深度0達30 mm左右；強力擠壓預制的A100超高強鋼的殘余壓應力場與噴丸強化的殘余壓應力場[17]極其相似，但殘余壓應力場深度遠比噴丸強化的殘余壓應力場深。

2.2 三種工藝2024鋁合金

攪拌摩擦焊接（FSW）是一種新型的固相焊接技術，正在我國國防行業推廣應用。利用SWXRD對不同攪拌頭轉速、不同焊速的三種FSW工藝的6 mm厚2024鋁合金攪拌摩擦焊接件中間層，進行了殘余應力及其分布的無損測定。

在焊縫長度的不同部位，參考GB 7704—2008[16]，采用透射方式的Sin2法，衍射晶面為Al（311），無損測得的三種FSW焊接件中間層的縱向殘余應力沿焊縫長度方向分布如圖7所示。FSW焊接從橫坐標為0處起焊，250 mm處終焊。

在垂直于焊縫長度方向的不同部位，采用透射方式的0法[4]，衍射晶面為Al（311），無損測得的三種FSW焊接件中間層的縱向殘余應力沿垂直于焊縫長度方向分布如圖8所示。橫坐標為0處是焊縫中心。

從圖8的測試結果可以看出，在焊接件焊縫中間層，縱向上最大殘余拉應力出現位置距起焊點約90 mm，距焊縫中心約10 mm。3號焊接工藝制備的縱向上殘余拉應力較大，且不均勻。因此，3號焊接工藝不利于減小焊接變形，建議在1號和2號焊接工藝基礎上，進一步優化工藝參數。

2.3 預拉伸鋁板

預拉伸鋁板是先進飛機的重要結構材料，西方發達國家限制對我國出口大尺寸的小應力預拉伸鋁板，而國產預拉伸鋁板因內部殘余應力過大導致的加工變形超差，已困擾我國航空制造業近20年。利用SWXRD無損測得的美國鋁業公司（ALCOA）20 mm厚7075-T651預拉伸鋁板內部殘余應力、內部晶粒取向及其沿厚度的分布如圖9所示。可以看出，ALCOA產預拉伸鋁板內部殘余應力小，其最大殘余拉應力為12 MPa，最大殘余壓應力為25 MPa。除開表面層，ALCOA產預拉伸鋁板內部晶粒取向沿厚度的分布是呈現平頂形分布，即均勻分布。

無損測得的某公司國產25 mm厚2024-T351預拉伸鋁板內部殘余應力、內部晶粒取向及其沿厚度的分布如圖10所示。可以看出，國產預拉伸鋁板內部殘余應力大，其最大殘余拉應力達92 MPa，最大殘余壓應力達156 MPa。除開表面層，國產預拉伸鋁板內部晶粒取向沿厚度的分布是呈現山峰形分布，即嚴重的不均勻分布。

ALCOA生產的預拉伸鋁板內部殘余應力小的測試結果與其加工不易變形的事實相吻合，國產預拉伸鋁板內部殘余應力大與其加工變形的事實相吻合。更為重要的是，通過對比測試，發現了國產預拉伸鋁板殘余應力過大的主要原因在于其內部織構沿厚度方向的分布嚴重不均勻，使得在以消減殘余應力為目的的預拉伸處理過程中發生了不均勻塑性變形，導致消減殘余應力的效果差。因此，需要重點改進軋制工藝，抑制軋制時不均勻織構的產生[18]，為在預拉伸處理過程中產生均勻塑性變形奠定基礎，生產出小應力預拉伸鋁板。

3 SWXRD在裝備環境工程的應用方面展望

與材料部件的制造加工類似，材料部件的環境效應，究其實質而言，主要包括物質的變化及其內能的變化兩方面。如材料腐蝕后產生的腐蝕產物，材料部件在腐蝕介質與外力作用下的變形與早期斷裂，以及高分子材料在紫外線照射下的碳鏈斷裂等。對于晶體材料部件而言，利用X射線衍射分析，不僅可以通過物相分析，監檢測材料部件是否產生了腐蝕產物和其他物質，研究環境效應機理，也可以通過殘余應力及其分布等的監檢測其內能是否變化，評價部件是否安全。由于材料部件的環境效應是長時間的累計過程，因此，采用能夠無損檢測其內部殘余應力、內部物相等的SWXRD技術，將能夠更好地表征材料部件隨時間和環境變化的規律。

3.1 變質的自然環境效應方面

武器裝備的部件多是金屬材料制備而成，在存在腐蝕介質的濕熱環境中容易腐蝕氧化。在早期萬寧站進行的碳鋼海洋大氣環境試驗中，筆者參與了距海岸線不同距離碳鋼試片腐蝕產物的分析工作。同時取回的距海岸線不同距離的碳鋼試片，目視就可以發現其腐蝕產物的顏色、形態不同，距海岸線愈近的碳鋼試片上鐵銹層愈厚。限于當時的條件，只能將碳鋼試板上的腐蝕產物刮下后研碎，用普通的X射線衍射儀進行物相分析，其分析結果是整個鐵銹層各深度腐蝕產物混合后的物相情況，無法由表及里地分析各腐蝕產物在整個鐵銹層各深度的分布，難以表征距海岸線不同距離碳鋼試片上鐵銹層各腐蝕產物沿層深的差異，妨礙了腐蝕機理的分析。利用具有強穿透能力的SWXRD技術，將能夠深入地分析各腐蝕產物（即各物相）在整個鐵銹層各深度的分布，有助于鐵銹層等腐蝕機理的分析研究，有助于腐蝕防護技術發展。

3.2 安全的自然環境效應方面

在10余年前，由于缺乏具有強穿透能力的SWXRD技術支撐，只能采用簡單的拉伸試樣進行高強合金件大氣應力腐蝕和大氣腐蝕疲勞研究，通過承載的應力——斷裂壽命，配合斷口分析等最終結果表征其抗大氣應力腐蝕和大氣腐蝕疲勞性能[19]，難以進行高強合金件大氣應力腐蝕和大氣腐蝕疲勞試驗過程中的跟蹤檢測，無損檢測其殘余應力及其分布。利用研發了十余年的SWXRD，配合其他相關技術，將能夠實現一些零部件在大氣應力腐蝕和大氣腐蝕疲勞的環境試驗過程中的跟蹤檢測，無損檢測其殘余應力及其分布。根據其殘余應力及其分布的變化，即內能的變化，表征這些零部件的結構穩定性，評價它們的結構是否安全，對是否臨近變形或斷裂進行預判。

上述對SWXRD在無損檢測材料部件兩個自然環境效應方面的應用前景進行了分析討論。同理，利用具有強穿透能力的SWXRD技術，亦可無損檢測表征晶體材料部件在諸如高壓、強腐蝕介質等的環境箱（極端實驗室環境）變化。

致謝

高振桓、計鵬飛、李鋒參加了預拉伸鋁板內部殘余應力和織構的部分測試工作，在此，深表感謝！

[1] ALLEN A J, HUTCHINGS M T, WINDSOR C G, et al. Neutron Diffraction Methods for the Study of Residual Stress Fields[J]. Adv Phys, 1985,34(4): 445—473

[2] VINCENT J I, MARIE-HéLène M, VINCENT K. Microstructural and Mechanical Heterogeneity Study by Neutron Diffraction Method[C]// 第14屆中國殘余應力會議. 青島, 2007.

[3] PHILIP J. Withers, Mapping Residual and Internal Stress in Materials by Neutron Diffraction[EB/OL]. 2007. http: france.elservier.com/direct/COMREN/.

[4] ISO/TS 21432, Non-destructive Testing——Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Neutron Diffraction[S].

[5] REIMERS W, BRODA M, BRUSCH G, et al. Evaluation of Residual Stresses in the Bulk of Materials by High Energy Synchrotron Diffraction[J]. Journal of Nondestructive Evaluation, 1998,17(3): 129—140.

[6] PARADOWSKA A M, PRICE J W H, FINLAYSON T R, et al. Comparison of Neutron and Synchrotron Diffraction Measurements of Residual Stress in Bead-on-Plate Weldments[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2010,132: 1—8.

[7] REIMERS W, PYZALLA A, BRODA M, et al. The Use of High-energy Synchrotron Diffraction for Residual Stress Analyses[J]. Journal of Materials Science Letters, 1999,18(7): 581—583.

[8] GANGULY S, STELMUKH V, EDWARDS L, et al. Analysis of Residual Stress in Metal-inert-gas-welded Al-2024 Using Neutron and Synchrotron X-ray Diffraction[J]. Materials Science and Engineering: A, 2008, 491 (1/2): 248—257.

[9] JAMES M N, HUGHES D J, HATTINGH D G, et al. Synchrotron Diffraction Measurement of Residual Stresses in Friction Stir Welded 5383-H321 Aluminum Butt Joints and Their Modification by Fatigue Cycling[J]. Fatigue and Fracture of Engineering Material and Structures, 2004,27(3):187—202.

[10] 鄭林, 何長光, 彭正坤. 短波長X射線衍射測量裝置及方法: 中國, ZL2004100688802[P]. 2005-03-02.

[11] 周上祺, 任勤, 鄭林. X射線殘余應力測定裝置和方法: 中國, ZL97101150.8[P]. 1997-04-11.

[12] 鄭林, 張津, 何長光, 等. 短波長X射線衍射無損測定鋁板內部殘余應力[J]. 精密成形工程, 2011, 3(2): 25—30.

[13] Zhang Jin, Zheng Lin, GUO Xue-bo, et al. Residual Stress Comparison Determined by Short-Wavelength X- Ray Diffraction and Neutron Diffraction for 7075 Aluminum Alloy[J]. Journal of Nondestructive Evaluation, 2014, 33(1): 82—92.

[14] 鄭林, 車路長, 張津, 等. 預拉伸厚鋁板內部殘余應力與晶粒取向均勻性的研究[J]. 精密成形工程, 2014, 6(5): 50—58.

[15] 伯廷E P. X射線光譜分析的原理和應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 1983.

[16] GB7704—2008, 無損檢測 X射線應力測定方法[S].

[17] 王仁智. 殘余應力測定的基礎知識-第五講金屬材料與零件的表面完整性與疲勞斷裂抗力間的關系[J]. 理化檢驗: 物理分冊, 2007,43(10): 535—539.

[18] 衛民. 金屬材料的晶體學織構與各向異性[M]. 北京: 科學出版社, 2002: 47—57.

[19] 鄭林, 封先河, 黃維剛, 等.鋁合金LC52對接焊海洋大氣應力腐蝕研究[J]. 裝備環境工程,2005, 2(4): 61—64.

Short-wavelength X-ray Diffraction and Outlook for Applications in Environmental Engineering

ZHENG Lin1, DOU Shi-tao1, ZHANG Jin2, XIAO Yong1, HE Chang-guang1, ZHU Lei1, PENG Zhen-kun1, ZHANG Peng-cheng3, FENG Xian-he1

(1.No.59 Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China; 2.Materials Science and Engineering College, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3.Institute of Material, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621700, China)

This paper introduced analysis principles and methods for nondestructive testing of short-wavelength X-ray diffractometer (SWXRD). The nondestructive testing includes internal residual stress, internal phase, internal texture and their distribution of in aluminum alloy pre-stretch plate, cold hole expansion parts of high strength steel, aluminum alloy weldments, etc. The test result was analyzed and discussed in the paper. The instrument is featured with advantages such as small size, low investment and easy maintenance, etc. The application of SWXRD was prospected in equipment environmental engineering.

short-wavelength X-ray diffraction; internal residual stress; internal texture; internal phase; environmental test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.010

TJ06

A

1672-9242(2017)06-0043-06

2017-03-21；

2017-04-15

國家自然科學基金（51275037）、國家高技術研究發展計劃（2009AA03Z539）、國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ130234）等項目

鄭林(1963一)，男，研究員級高級工程師，主要從事短波長特征X射線衍射技術及儀器開發，以及材料工件內部殘余應力、內部織構、內部物相等的無損檢測技術研究。