T-CWAN 0116-2024 金屬材料焊接接頭應(yīng)力X射線測試方法

ICS25.160.01CCSJ33團體標準X-raydiffractiontestingmethodforstressofmetallicmaterialsweldedjointsIT/CWAN0116—2024 II 12規(guī)范性引用文件 3術(shù)語、符號和定義 4X射線應(yīng)力測試原理及方法 25測試儀器 46測試方案的制定 57測試步驟 58試驗報告 8附錄A（資料性） 9參考文獻 10T/CWAN0116—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)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(shù)研究院有限公司、天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)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(shù)有限公司、天津大學(xué)、天津市金橋焊材集團股份有限公司、上海工程技術(shù)大學(xué)、北部灣大學(xué)、上海極火網(wǎng)絡(luò)科技有限公司、福建省特種設(shè)備檢驗研究院。本文件主要起草人：張彩東、馬青軍、賀順達、馬成、韋晨、武鵬博、黨麗華、陳博文、田旭海、鄒吉鵬、劉晨曦、肖輝英、張?zhí)炖怼ⅠT志強、梁偉、孫明輝、高利慧、李愛民、吳妍。1T/CWAN0116—2024金屬材料焊接接頭應(yīng)力X射線測試方法本文件規(guī)定了采用X射線衍射原理測試金屬材料焊接接頭應(yīng)力的方法，內(nèi)容包括術(shù)語、符號和定義、X射線應(yīng)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(yīng)力測試。2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(yīng)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(yīng)力測定方法GB/T39520彈簧殘余應(yīng)力的X射線衍射測試方法JB/T9394無損檢測儀器X射線應(yīng)力測定儀技術(shù)條件3術(shù)語、符號和定義以下及GB/T7704界定的術(shù)語和定義適用于本文件。3.1術(shù)語和定義3.1.1德拜-謝樂環(huán)Debye-Scherrerring當X射線入射多晶體時，衍射X射線會以入射X射線為軸，形成圓心角θ不同的多個圓錐。用平面X射線膠片或二維檢測器接收這樣的圓錐，可以得到入射X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）。3.2符號本文件中的符號和定義見表1。表1符號和定義θχω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φ衍射晶面法線在試樣平面的投影與試樣平面上σφσiiτφσφ作用面上垂直于試樣表面方向的切應(yīng)力εφΨβ積分寬度，即衍射峰去除與布拉格衍射無關(guān)的背底以后積分2T/CWAN0116—2024Z1{hkl}{hkl}2S2,S1S1LPL1，L2，L3d0dφΨAαη4X射線應(yīng)力測試原理及方法4.1X射線應(yīng)力測試基本原理X射線應(yīng)力測試是以晶體材料晶面間距為標準距離，使用X射線衍射測試由于應(yīng)力導(dǎo)致的晶面間距變化，然后計算應(yīng)力。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(yīng)變信息來測量試樣表面殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)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1cosα法X射線應(yīng)力測定原理圖根據(jù)cosα法進行應(yīng)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(yīng)力方向為x軸，其垂直方向為y軸，試樣面法線方向為z軸?，F(xiàn)在x-z面內(nèi)與z軸所成角Ψ0的方向入射X射線，在垂直入射X射線方向上設(shè)置二維檢測器。檢測器測得的照射區(qū)域內(nèi)存在的晶體群的衍射X射線呈圓環(huán)狀，如圖2所示，該圓環(huán)稱為德拜-謝樂環(huán)或德拜環(huán)。德拜環(huán)的頂端距離試樣法線近的一側(cè)為-η側(cè)，底端為+η側(cè)。3T/CWAN0116—2024圖2德拜環(huán)上的旋轉(zhuǎn)角對應(yīng)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(yīng)的德拜環(huán)的半徑rα為:rα=Ltan2ηα(5.1)其中，L是試樣和檢測器的距離，2ηα是衍射角2θα的補角。2ηα=180?2θαdeg(5.2)結(jié)合半徑rα、式(5.1)、式(5.2)，可得衍射角2θα:π?tan?1(5.3)其中角度單位是deg，180/π為從rad到deg變換時的系數(shù)。根據(jù)衍射角2θα可得晶格應(yīng)變εα:cotθ0(5.4)應(yīng)力值可以從旋轉(zhuǎn)角α對應(yīng)的晶格應(yīng)變εα、其對角的晶格應(yīng)變εα+π、旋轉(zhuǎn)角-α對應(yīng)的晶格應(yīng)變ε-α和επ-α共計4個晶格應(yīng)變求得。然后求出兩個應(yīng)變差(εα-εα+π)和(ε-α-επ-α),定義其平均應(yīng)變參數(shù)εα1為：εα1=(5.5)試樣表面層的應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)力時，測定應(yīng)力σx與應(yīng)變參數(shù)εα1關(guān)系如下：σx=?(5.6)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X射線入射角Ψ0下觀測到的德拜環(huán)求出多個旋轉(zhuǎn)角α對應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)εα1，以cosα為橫軸，εα14T/CWAN0116—2024為縱軸作圖。cosα和εα1的關(guān)系呈圖3中的直線關(guān)系，然后用最小二乘法決定近似直線的斜率M1，應(yīng)力由下式求出：σx=K1?M1[Mpa](5.7)其中，K1為應(yīng)力常數(shù)，M1為εα1—cosα圖的斜率。K1=?(5.8)(5.9)而且，式(5.6)中，由于2η隨α的變化很小，用無應(yīng)變時的2η0替換之，進一步，根據(jù)2η0為無應(yīng)變時的衍射角2θ0的補角可以推出式(5.10)：2η0=180?2θ0deg(將式(5.5)中的α=π2cosα=0)代入，應(yīng)變參數(shù)εα1得零。圖3的εα1—cosα圖是通過原點的直線，根據(jù)最小二乘法可以確定直線的斜率M1。4.1.2同傾法、側(cè)傾法和擺動法同傾固定Ψ0法、同傾固定Ψ法、側(cè)傾法(χ法）、側(cè)傾固定Ψ法及雙線陣探測器側(cè)傾法（修正χ法）、擺動法的測試基本原理參見GB/T7704。4.2X射線應(yīng)力測試方法基于現(xiàn)有不同種類衍射裝置的幾何布置，應(yīng)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(yīng)變，從而求得試樣表面層應(yīng)力的方法。b）同傾固定Ψ0法(ω法）：應(yīng)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(yīng)力測試方法。c）同傾固定Ψ法(θ-2θ掃描法應(yīng)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(yīng)力測試方法。d）側(cè)傾法(χ法）：是應(yīng)力方向平面(Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直的應(yīng)力測試方法。e）側(cè)傾固定Ψ法（即θ-θ掃描Ψ法）：應(yīng)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(yīng)力測試方法。f）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(yīng)變的平均值，用該平均值計算應(yīng)力值。g）擺動法：在探測器接收衍射線的過程中，以每一個設(shè)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(yīng)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(yīng)力測試問題的近似處理方法，擺動角度一般不超過6°。5測試儀器5.1基本要求cosα法一般使用便攜式X射線衍射應(yīng)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3mm的圓形，同時需具備樣品定位輔助裝置，一般不需配備測角儀。同傾法和側(cè)傾法使用的X射線衍射應(yīng)力測定儀應(yīng)符合GB/T7704和JB/T9394的主要技術(shù)要求。5T/CWAN0116—20245.2X射線管X射線管應(yīng)根據(jù)被測材料類型選擇Cr、Cu、Mn、Co等靶材。5.3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)）。5.4測角儀測角儀應(yīng)包括X射線管和探測器，應(yīng)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(yīng)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(shè)為0°~45°,需要時可增大范圍，可增設(shè)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(shè)置精度應(yīng)在±0.5°范圍之內(nèi)；——應(yīng)配備Kβ輻射濾波片。6測試方案的制定測試前，測試機構(gòu)應(yīng)當與測試委托單位共同制定測試方案，該測試方案應(yīng)經(jīng)過雙方簽字確認。測試人員應(yīng)嚴格按照該測試方案進行測試工作。測試方案應(yīng)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(shè)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(guān)法律法規(guī)中相關(guān)要求。7測試步驟7.1測試準備X射線衍射應(yīng)力測定儀測試0應(yīng)力鐵粉，儀器連續(xù)測試不少于5次，單次測得應(yīng)力值應(yīng)在±14MPa之內(nèi)，5次應(yīng)力值的標準差不宜大于7MPa，如果應(yīng)力值超過±14MPa，應(yīng)重新調(diào)整設(shè)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。7.1.2試樣制備6T/CWAN0116—2024當測試點位置位于隔熱層、防腐層、襯里層之下時，應(yīng)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(yīng)滿足以下要求：——表面應(yīng)無氧化層、無油污、無涂層、無污垢，且應(yīng)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(xué)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(yīng)在打磨之后采用電解或化學(xué)拋光的手段去除打磨影響層。7.2測試參數(shù)及條件設(shè)置cosα法測試參數(shù)及條件設(shè)置應(yīng)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(shè)置應(yīng)符合7.2.3至7.2.9要求。7.2.2cosα法衍射方式的選擇a）入射準直儀：X射線的入射側(cè)設(shè)置針孔準直儀，來限制X射線的照射區(qū)域。b）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。c）X射線入射角的設(shè)定精度：X射線入射角與試樣面法線夾角宜設(shè)置在±0.4°以下。7.2.3輻射、衍射晶面和應(yīng)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(yīng)的衍射角2θ、X射線常數(shù)S?kl}和S?kl}及應(yīng)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(yīng)力常數(shù)表2θ/°1S{?kl}/10-6mm2N-1S?kl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μmV V8Ni7T/CWAN0116—20242θ/°1S{?kl}/10-6mm2N-1S?kl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μm NiNi—— 7.2.4Ψ角或φ角設(shè)置φ角的選擇依據(jù)待測應(yīng)力方向，試樣待測應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面(Ψ平面）。設(shè)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。7.2.52θ范圍的設(shè)置2θ范圍設(shè)置原則是所設(shè)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。7.2.6掃描步距的設(shè)置掃描步距的設(shè)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°。7.2.7采集時間的設(shè)置采集時間的設(shè)置應(yīng)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。7.2.8測試點的定位a）測試點中心應(yīng)準確置于儀器指示的測試點中心、X射線光斑位置、測角儀回轉(zhuǎn)中心三者相重合的位置。b）測試點待測應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面(Ψ平面）。c）按照儀器要求校準標定距離。d）按照儀器規(guī)定的方法，或借助垂直驗具、水平儀等裝置，調(diào)整測角儀主軸線與測試點法線的重合度，應(yīng)保證實際的Ψ角或Ψ0角的準確度。注：測角儀主軸線即測角儀本身Ψ=0或Ψ0=7.2.9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